单片机音乐频谱

题目： 单片机LED音乐频谱的设计院（系）： 专业：学生姓名： 学号： 指导教师： 2011年07月07日该系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2为主控制器，通过单片机内置的ADC对音频信号进行采样、量化，然后通过快速傅里叶变换运算，在频域计算出音频信号各个频率分量的功率，最后通过双基色LED单元板进行显示。该方案具有电路结构简洁，开发、生产成本低的优点。关键词：单片机；傅里叶；LED;TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".引言 1\o"CurrentDocument".方案设计 21设计要求 22总体方案设计 33总体方案组成 6\o"CurrentDocument"3.系统电路设计 61单片机主控电路设计主控制器 62LED显示模块电路设计 7.软件设计 8软件设计流程图 8\o"CurrentDocument".系统的测试 8\o"CurrentDocument".结论 9.参考文献 11.附录 14.引言本文介绍的音乐频谱显示器可对mp3、手机、计算机输出的音乐信号进行实时的频谱显示。系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2为主控制芯片，通过单片机内置的ADC对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过快速傅里叶变换（FFT）运算，在频域计算出音频信号各个频率分量的功率，最后通过双基色LED单元板进行显示。在显示的频率点不多的情况下，本系统比采用DSP或ARM作为主控制芯片的设计方案具有电路结构简洁，开发、生产成本低的优点。.方案设计设计要求.单片机自带AD转换，这样省去外围AD电路。.控制LED随着音乐跳动，需要理解傅里叶原理。总体方案设计经分析，将系统分为两个部分，一个是由单片机组成的主控。另一部分是LED显示部分，单片机对接收到的音频进行处理经过傅里叶换算后在LED显示，5V稳压电源给各个部分供电。该系统实现的方法有很多种，下面将列出大家最经常用到的实现方案。系统框图如图1所示显示电路音频信号显示电路音频信号图1音乐频谱总体系统框图该系统由音频信号预处理电路、单片机STC12C5A60S2控制电路、LED频谱显示电路等部分组成。图l为系统整体设计原理框图。图1系统整体设计原理框图系统各组部分的功能：（1）音频信号预处理电路主要对输入的音频进行电压放大和电平提升。（2）单片机STC12C5A60S2控制电路采用内置的ADC对音频信号进行采样量化，然后对量化后的音频数据采用FFT算法计算其频谱值，再将各频谱值进行32级量化。（3）LED频谱显示电路在单片机的控制下，负责将FFT计算得到的音频信号的各个频点的大小进行直观显示。.音频信号预处理电路图2音频信号预处理电路音频信号预处理电路见图2所示，对输入的音频进行电压放大和电平提升。手机、计算机输出的音频信号Vin经过RP1进行电压调节后，经集成运放LMV358反相放大10倍（Av=-R3/R2=-10），提高系统的灵敏度。选用单电源供电的运放LMV358,一方面可以简化系统电源电路的设计，直接采用系统的+5V供电即可;另一方面其输出端静态电压为VCC/2,即2.5V。放大后的音频信号和这2.5V叠加后变为直流电压信号，满足后面单片机内置的ADC对输入电压量程的要求。另外，LMV358为轨到轨输出运放，它可在+5V单电源供电条件下仍具有较大的动态输出范围。.单片机STC12C5A60S2控制电路STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的新一代单时钟/机器周期（1T）8051单片机，具有高速、低功耗及超强抗干扰等特点，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍;内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）等资源［1］。特别是它带硬件乘法/除法指令，使乘法指令执行时间从传统8051的48个晶振周期减少到4个晶振周期，使需要大量乘法运算的FFT运算速度得到大幅度提高。在本系统中，STC12C5A60S2单片机负责完成对音频信号进行A/D变换，然后采用FFT算法计算音频信号频谱，并将计算结果输出到LED频谱显示电路。（1）音频信号的A/D变换根据香农采样定理，一般采样频率至少应为所采样音频信号最高频率的2倍。由于人耳能够感受的频率为20Hz-20kHz，所以理论上采样频率最高取40kHz。本设计采用单片机STC12C5A60S2内置的ADC对音频信号进行采样、量化。STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1□（P1.0-P1.7），W8路10位的高速ADC，其输入电压量程为0-Vcc，转换速度可通过ADC_CONTR特殊功能寄存器的SPEED1,SPEED0位进行控制，速度最快可设置为每90个时钟周期转换一次。在外接晶振为24MHz时，ADC的转换速度可达到330KHZ，完全可满足对音频信号的采样需要。（2）音频信号频谱值的计算我们采用快速傅里叶算法（FFT）来计算音频信号的频谱值。根据FFT运算规律，如ADC以fs的采样频率取N个采样点，经过FFT运算之后，就可以得到N个点的复数序列。通常为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方：N=2L（L为正整数）。这N个点的FFT结果，每一个点就对应着原始信号的一个频率点，即第n点所表示的频率为f=nxfs/N，n=0，1,…，（N-1）;该点的模值除以N/2就是对应该频率下原始信号的幅度（对于第1个点则是除以N）;该点的相位即是对应该频率下原始信号的相位。由于FFT结果的对称性，通常只使用FFT运算后的前N/2个点的数值。本系统每隔10ms采样一次128个点，经过FFT运算后将得到128个频率点。由于FFT结果的对称性，我们选取前64个点进行显示。现在FFT算法已发展出多种形式，本系统采用按时间抽选（DIT）的基-2FFT算法，这种算法程序相对较简单，节省存储单元，运行效率较高，比较适合用单片机编程实现。DIT基-2FFT算法主要由倒位序运算和多级蝶形运算实现。a.倒位序运算的实现DIT基-2FFT算法通常将原始数据序列倒位序存储，运算后的结果则按正常顺序输出。一般的数字信号处理的教材都介绍雷德（Rader）算法，通过“反向进位加法”将原始数据序列进行倒位序存储［2］。雷德算法的灵活性较大，但在本系统中，参与运算的数据点数只有128个，通过预先编制倒位序查询表，采用查表方式实现倒位序操作速度会更快。b.蝶形运算的实现根据DIT基-2FFT算法原理，N点FFT运算由log2N级，每级N/2个蝶形运算，共（^2）log2N个蝶形运算构成。每个蝶形运算结构见图3所示［2］。,丫’（k） \ （k）k+b）¥ ~（k+b）-1图3蝶形运算图3按时间抽选蝶形运算结构蝶形运算结构图中，m表示第m级的蝶形运算，k为蝶形运算第一节点所在行数，b为蝶形运算两节点距离，b=2m-1，WNr为旋转因子，WNr=cos（2nr/N）-jsin（2nr/N）。每个蝶形结构完成下述基本迭代运算［2］：式中，卬,cos（2”/N）-/sin（2fP/N）o设Xm=Rm+jIm，将式（1）转变为实部和虚部的表示形式，得到：由上面式（1）、式（2）可见，一个蝶形运算需要一次复数乘法Xm-1（k+b）WNr及两次复数加（减）法。在单片机系统中编程实现时，需把复数运算转变为实数运算。心依）=1『（@+*盟人6龙0虱21Tm信乩）虱鼠2万肉”3）儿（幻=为,（幻一X/5+b）sin（27rPTV）+*（表+/j）cos（2tt%V）（4）同理，将式（2）转变为：Xd)=XJ(左)4,保雨V)-茶为无拙由n(2ir/WV)(5)X《k钻HX；(k)+茶；/+b)sin(2irBW)-X：(*+6)cqs(21r附V)(6)将sin、cos函数做成表格sin_tab[128]、cos_tab[128],直接查表可提高运算速度。3.频谱值的显示系统中采用5*11个不同颜色的草帽LED进行显示，每列显示音频信号的一个频率点，每列LED点亮的高度表示该频率点幅度的大小。整个显示板一共有5列U，工作的时候，可以看到每列根据频率幅度的大小在跳动。2.3整体系统组成本系统硬件部分由单片机主控电路、LED显示部分、音频采集等部分组成，其中单片机主控电路有外接晶振，电源供电电路阻等部分组成。软件部分详细见下文。单片机全系统如下图2所示。3.系统电路设计单片机主控电路设计单片机主控模块包括了振落电路、音频采集电路，同时接入了各个模块的接口，保证了整个系统的灵活性。单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。控制电路的核心器件是由美国Atmel公司生产的AT89S52单片机，属于MCS-51系列。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器；在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案；价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强。因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。单片机主控电路原理图如下所示：£7UpfUI£7UpfUIri.oI-iPLn1« ¥L.L-PO.OnntJ耶4ri_z. 1:iF.lnj j'^,2PI4 PO.JPL5 P0.4PI6 Prt.5PL7 PQ.GR^T FVJRXD.TIO _EA1XD/P3.1ALEFROGN 2 PSHX]NII/PS3 P2J1X1314 72t612P15 曾.5WRZP3.fi P2.4尺EP，7 P2.3XTAL2 P2.2XTAll P2JVSS P2.037手斯63$千34E31Q3?R3]031135I1130P3.2J229P3.313NXRI5—IKP2.7P3.114nRI4—IKl'2.6P31IXR7152ftkl<—=JlKP2.5P?1625KL2P2.4!J.1K—Kt，，..—IK咫K517：MK|.1gJJ*— Jk.]&2JRLUP2.2—―JK]*>R9—'jK120,21K*—IKP2.0■SlCl2C5A(hOS2Cl2Tpf——24MEIZTY]图4.1单片机主控电路原理图3.23.2LED显示模块电路设计pr7_K|__收了Pl7/Jm.7 ।P：7 |□l尸产D123产D2S20&4U45Pi.6_KIPI6■网6-叫h-P3恁-FlJF,02DBDM尸尸D35尸尸D46尸尸P3.SblE■呼5■F5|■FlJF,VVJP2.7_k|DI.4P27尸再]D25尸尸4D36甩，1八K4P2. 1J1K31DI5尸产Flo她尸尸□r?JD4S产尸P2S6aRlfi卜P2„fikl十P2,r.P2.6FlFlP2.5kl__016F尸产,iD271*2.5尸尸kl_■尸尸，04g”3|尸尸Fl况；"尸D17尸产D28Fl尸尸—rD39尸尸iD5Q尸尸■P2.4-闻P24।t吐4w4也4；1P!PIP2JDT尸J□18P2JJX।029P3J1J__ fP2.D4031工工D51P2J|0Wmn□41D52P2.2P2..2尸E।吆2尸尸吐2尸尸值21尸尸D201n■1D3M24n4P2.13尸iIP21IJ।iP2.I.P2.1kL_P2.I|KJkL_彳□21I)2D43D54P2.0了.为qb匕UJ尸产|iP2JIJJ■IP2J.I?J也U|尸尸PI□ii:二D221 D3H$「！[M4飞1n寸rnrrEJ4.软件设计4.1软件设计流程图FFT倒序流程图（一…一丽送入上gcrM=J(kHK.W)*f/FFT计算流程图.系统测试制作的过程中首先遇到的问题是LED如何组装，经过查阅资料发现，可以利用LED的管脚互相按照电路图连接起来，这个时候主要是利用万用表来测试，LED灯到底有无坏掉的。通电后，在无音频输入时，LED应该无闪烁跳动现象。在制作完成的时候，发现LED灯闪烁，这个时候，在音频输入端接入了47P的电容，这样就解决了这个问题。.结论本系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2实现音乐频谱显示，该方案硬件电路设计简单、成本低，并具有较高的实用价值。本方案是通过ADC采样输入的音频信号，ADC采样完成以后，将数据进行倒序排列并进行FFT运算，结果通过TFT液晶显示出来。由于采用的处理器的处理能力的原因，不能做到很高的采样频率和很精细的频率分辨率，要提高系统的频率分辨率，就需要增加采样点数。可以借助PC的强大处理能力，将采样的数据通过预留的串口传送给PC，在PC上完成FFT运算以及显示，这就是虚拟仪器的方式，实际工作中应用前景也非常大。10感谢老师对我们的指导。完成了这个实训任务，虽然结果差强人意，但是还是有进步的，有收获的。希望以后在学习生活中能继续好好学习。11.参考文献［1］宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机器件手册卬］.2010.［2］程佩青.数字信号处理教程（第二版）［M］.北京：清华大学出版社，2001.［3］靳桅，等.基于51系列单片机的LED显示屏开关技术（第2版）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.作者简介：吴永德（1980—），男，讲师，从事电子技术专业教学及研究。罗萍（1979—），女，讲师，从事计算机技术专业教学及研究。12

附录：电路图:程序：#include<stc12c5a60s2.h>〃"stc12c5620ad.h"#include<intrins.h>#defineLongToBin(n)(((n>>21)&0x80)|((n>>18)&0x40)|((n>>15)&0x20)|((n>>12)&0x10)|((n>>9)&0x08)|((n>>6)&0x04)|((n>>3)&0x02)|((n)&0x01))#defineBIN(n)LongToBin(0x##n##)#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintdefineSAMPLE_NUM64defineNUM_2_LOG6defineFFT_OUT_MIN3ucharcodeBRTable[SAMPLE_NUM]={0,32,16,48,8,40,24,56,4,36,20,52,12,44,28,60,2,34,18,50,10,42,26,58,6,38,22,54,14,46,30,62,1,33,17,49,9,41,25,57,5,37,21,53,13,45,29,61,3,35,19,51,11,43,27,59,7,39,23,55,15,47,31,63);charcodesin_tabb[SAMPLE_NUM]={0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126,127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,-12,-25,-37,-49,-60,-71,-81,-90,-98,-106,-112,-117,-122,-125,-126,-127,-126,-125,-122,-117,-112,-106,-98,-90,-81,-71,-60,-49,-37,-25,-12);charcodecos_tabb[SAMPLE_NUM]={127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,-12,-25,-37,-49,-60,-71,-81,-90,-98,-106,-112,-117,-122,-125,-126,-127,-126,-125,-122,-117,-112,-106,-98,-90,-81,-71,-60,-49,-37,-25,-1132,0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126);uchara[21];ucharkeep,keepnum,anum,timernum,timernum2,lednum3,Ltime;//用于分离/*加入数组用于显示相应led灯数目*/ucharlednum□二{0x00,0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff};//0-7的显示数组P2组控制intxdataFftReal[SAMPLE_NUM];intxdataFftImage[SAMPLE_NUM];sbitp30=P3八0;sbitp31=P31;sbitp32=P3”；sbitp33=P3八3;sbitp34=P3N;sbitp35=P3八5;//9-11的led控制sbitp36=P3^6;sbitp37=P3";voidtimerinit()//定时器初始化函数{TMOD=0x01;TH0=(65536-6000)/256;TL0=(65536-6000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;)voiddisp(){timernum++;if(timernum==6)timernum=1;P2=0;//显示前先关闭P3=P3&0x1f;switch(timernum){case1:anum=a[0];p34=0;p33=1;p32=1;p31=1;p30=1;break;case2:anum=a[1];p34=1;p33=0;p32=1;p31=1;p30=1;break;case3:anum=a[2];p34=1;p33=1;p32=0;p31=1;p30=1;break;case4:anum=a[3];p34=1;p33=1;p32=1;p31=0;p30=1;break;case5:anum=a[4];p34=1;p33=1;p32=1;p31=1;p30=0;break;)//anum=a[10];/*修改可以改变光柱高度(anum值分开几个部分用定时器区分显示)(a口内逐加)*/if(anum<=8){P2=lednum[anum];P3=P3&0xff;}//屏蔽高三位1f14//else{P2=0xff;P3=lednum2[anum-9];}if(anum==9){P2=0xff;p35=1;p36=0;p37=0;}if(anum=10){P2=0xff;p35=1;p36=1;p37=0;}if(anum==11){P2=0xff;p35=1;p36=1;p37=1;})ucharSTC_ADC() //！！根据数据手册写一个ad读取函数{uchari;ADC_RES=0;ADC_RESL=0;ADC_CONTR=BIN(10001000);i=3;while(i--);while(1){if(ADC_CONTR&BIN(10000)){break;))ADC_CONTR=BIN(10000000);return(ADC_RESL<<2);)shortsqrt_16(unsignedlongM){unsignedintN,i;unsignedlongtmp,ttp;if(M==0)return0;N=0;tmp=(M>>30);M<<=2;if(tmp>1){N++;tmp-二N;)for(i=15;i>0;i--){15N<<=1;tmp<<=2;tmp+=(M>>30);ttp=N;ttp=(ttp<<1)+1;M<<=2;if(tmp>=ttp)(tmp-=ttp;N++;))returnN;)voidFFT()(registeruchari,bb,j,k,p,max;registershortTR,TI,temp;unsignedlongulReal;unsignedlongulImage;for(i=0;i<SAMPLE_NUM;i++) 〃此处可以加入自动增益(FftReal[BRTable[i]]=STC_ADC()<<keep;〃使显示保持在一定范围内FftImage[i]=0;)keepnum=FftReal[2]/32;〃提取等级数if((7<keepnum)&&(keepnum<=8)){keep=1;}elseif((4<keepnum)&&(keepnum<=6)){keep=2;}elseif((2<keepnum)&&(keepnum<=4)){keep=3;}else{keep=5;}for(i=1;i<=NUM_2_LOG;i++){bb=1;bb<<=(i-1);for(j=0;j<=bb-1;j++)16p=1;p<<=(NUM_2_LOG-i);p=P*j；for(k=j;k<SAMPLE_NUM;k=k+2*bb){TR=FftReal[k];TI=FftImage[k];temp=FftReal[k+bb];FftReal[k]=FftReal[k]+((FftReal[k