单片机实现音乐频谱

文/张孝虎前，每当看到家里的音箱功放上的几排小灯，随着播放的音乐如波浪般跳跃，或者在电脑上打开千千静听这个音乐播放软件时，看到那动感的频谱跟随音乐节奏优美的舞动着时，不禁思绪万千，要是自己某天能亲手用普通的单片机DIY这么一个东东，那将是多么有成就感的事情，至少对我们电子爱好者来说，这是许多人曾经梦想过的。伴随音箱里传来的美妙音乐，原本只能“听”的音乐，现在却还能“看”，给人带来视觉上的炫酷享受。本文将带领你动手探究其中的奥秘，你会发现她不再神秘，只要跟着我一步一步动手做，你一定可以成功做出来。让我们给音乐赋予一个完美的视听极限，你还在等什么？马上动手吧！一、理论篇下面我们将讲解与制作有关的基础理论知识，我将力求使音乐频谱显示的原理通俗易懂。当然，你如果实在等不及了，或者暂时没时间弄明白也可以快速跳过本节，在制作篇直接跟我动手开始做。(一)理论基础概述正在阅读本文的你可能会问，制作这么神奇的东西，她到底是什么原理，需要用到些什么理论吗？我能明白其中的原理吗？1)你问：什么是频谱？什么是频谱显示？我答：说到“频谱”这个词，它好像是一种很神秘的东西，究竟什么是“频谱”？这便要从波形本身的来源说起。我们知道，一切声音都是由振动产生的。声音之所以千变万化各不相同，是因为它们的振动各不相同。看看琵琶，吉他或者其他的弦类乐器，可以发现它的每一根琴弦的直径都是不一样的。琴弦越细，音调也就越高。反之则越低。显然粗的弦就不如细的弦振动得快或者说是振动的频率高。产生音调高低的不同，就是由于振动的频率不同。很显然频率越高，音高也就越高。频率的单位是赫兹（简写为Hz），赫兹(1857-1894)，是德国物理学家，他发现了电磁波，为了纪念他，人们用它的名字来做为频率的单位。所谓的一赫兹，就是一秒钟振动一次。那么440Hz呢，当然就是每秒振动440次，这个声音就是音乐中的标准A音，是乐器定音的标准。而钢琴中央C的频率则是261.63Hz。我们人的耳朵能够听到的频率范围，是20Hz到20000Hz。低于这个频率范围的声音叫次声波，而高于这个频率范围的声音叫做超声波。所以我们能听到的音乐的频率，即都在人耳可听到的这个范围之内，约从20Hz到20KHz。比如，下面的表格中是我们常见的一些人声的基频范围•男低音80－320Hz•男中音96－387Hz•男高音122－488Hz•女低音145－580Hz•女高音259－1034Hz根据傅立叶分析，任何声音可以分解为数个甚至无限个正弦波，而它们往往又包含有无数多的谐波分量。而它们又往往是时刻在变化着。所以一个声音的构成其实是很复杂的。将声音的频率分量绘制成曲线，就形成了频谱。对频谱进行分析的仪器就是频谱分析仪，早期频谱仪都是模拟分析的。频谱仪的原理就是将声音以信号通过一系列不同中心频率的模拟带通滤波器。每个带通滤波器相当于一个共振电路，其特性由中心频率（步进的）、频带宽度及响应时间表示。在声音信号通过滤波器后，经过平方检波器，并进行平均之后，在每个频率上测定所传输的功率，从而得到信号的频谱。然而，传统的频谱仪受到滤波器性能的制约，因为模拟电路本身的特性所局限，滤波器的带宽和响应时间成反比，也就是说模拟滤波器的频率分辨力与时间分解能力之间存在矛盾。因为频谱仪所测量的往往都是非稳态声，一般来说，都是使用若干个滤波器来覆盖整个频率范围，并将信号同时并联地输入到这些滤波器上去。或者使用中心频率能够从低到高连续变化的滤波器。随着科学技术的不断进步，现在我们所使用的基本不再是那些笨重而不准确的模拟仪器的频谱仪，取而代之的是基于处理器的软件分析法。它分析的数据来源其实是经过了ADC（模数转换器件）转换后得出的数字信号，所以频谱仪软件所测量的信号准确度，很大程度取决于数模转换电路的性能。比起模拟滤波器，数字滤波器应该要更加迅速和精确。2)你问：那什么是均衡器和音乐频谱显示？在我们欣赏音乐的过程中有什么样的作用？我答：对于录音棚等专业级别的音乐制作来说，通常都需要对录制的音频信号进行频谱分析来辅助音频的加工制作。当然对于我们普通的爱好者来说，不需要那么精确的频谱分析，我们更多的是用来略显音乐节奏，美化环境，增添气氛。于是，大多数的音乐播放软件(如图一)，手机，mp3，高档的音箱设备等，都有了音乐频谱显示。图一千千静听播放音乐时的频谱显示当高级组合音响在工作时，你可以看到其中有一个部件上有一排一、二十个高高低低的推式调纽按频率高低自左而右排列，显示一种频率分布图；或者是还有一、二十个高高低低的光柱在不断地上下跳，时而中间起一个高峰，时而并排突起两、三个高峰，而且与音乐的高低和强度同步，高音越是强，高峰就偏右边；低音越是强，高峰就偏左边，这就是均衡器及其联结的频谱显示。有时，也用一排色彩不同的条纹来显示，条纹的色彩亮度随声音的强弱而同步地改变。我们知道，实际上每一种音乐声，包括哪怕是一个人的独唱，一件乐器的独奏，都包括了一系列从低到高不同频率的声波，更不要说是乐队演奏了。如果声音中低频成分多，听起来就较厚实；如果是高音成分多，听起来就比较明亮。有的人喜欢听低音成分多些，有些人喜欢听高音成分多些，各不相同。因此，以前的收录机上就有一个调节高低音的旋钮。把旋钮指向高音部位，高音就比较强；把旋钮指向低音部位，低音就比较强，这就是一个简单的均衡器。好的声音效果，其各段频率成分应该有一定的比例，录音的时候，录音师操作调音台就可以使各段频率的成分得到调整。由于各种乐器的基频高低是不同的，所以，也可以使各种乐器之间的声音比例得到调整，常见的是把频率由低至高分成5段或7段、10段或15段，有经验的录音师或音乐家能听出哪里（哪个频率段）“空”了，即这个频段弱。哪里“鼓了个包”，即这个频段过强。通过均衡器可以把这些予以弥补。又因为每个人对音乐中频率分布的欣赏标准是不同的，因此，各位录音师掌握的尺度也不同，显示出各自的风格。录音师也可以在录音时做些“手脚”，例如，有的录音机低音部分不太好，于是在录音时就把低音部分加强，这样，在这台录音机上播放时，低音就得到了补尝，因此，你播放购买收录机随机奉送的“试机带”时，听起来常常总是非常动人的，但在播放正常的磁带时，往往就不行了。所以在正式试验整机和评比设备、磁带、唱片时，是不准用均衡器而且要用标准试机带的。由于每个人的欣赏和爱好的不同，有人喜欢低音“浓”些，有人则崇尚自然，也有人有时要强调某种乐器。因此在高级的放音设备上也有均衡器，可以根据每人不同的爱好去随心所欲地调整频率响应。同时，这也可以弥补录音带质量上的某些缺陷，例如，除了频响不平衡外，可以抑制某个频段上突出的噪声等。3)你问：我们制作音乐频谱显示需要用到什么基础知识吗？我答：首先，我们采用是基于微处理器的软件分析法，微处理器是本制作的核心部分，因此，选择一个合适的性能与配置的微处理器是关键，我选择增强型的8051单片机便能够满足本次制作的要求。软件上的分析法核心是快速傅立叶算法，简称FFT。4)你问：什么是FFT？我答：FFT（FastFourierTransform）即离散傅立叶变换的快速算法。在数字信号处理中常常需要用到离散傅立叶变换(DFT)，以获取信号的频域特征。尽管传统的DFT算法能够获取信号频域特征，但是算法计算量大，耗时长，且要求相当大的内存，不利于计算机实时对信号进行处理，限制了DFT的应用。直到Cooley&Tukey在1965年提出的快速离散傅立叶计算方法被发现，快速傅立叶变换算法才在实际的工程中得到广泛应用。需要强调的是，FFT并不是一种新的频域特征获取方式，而是DFT的一种快速实现算法，可用来将一个信号从时域变换到频域。多数的复杂信号在进行频域变换之后，变换的目的实际上是从频域里来看同一个信号，从而容易分析出其信号的特性。这也是很多信号分析采用FFT变换的一个重要原因，。另外，FFT能将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常使用的。5)你问：我们的制作中如何使用FFT？我答：很简单，首先，我们用ADC去采样一个模拟信号之后，使之变为数字信号。根据采样定理，因音频信号的最高频率约为20Khz,若adc的采样频率设置为40Khz，既有采样频率大于信号频率的两倍，就能基本满足要求。其次，将采样得到的数字信号，送入FFT进行变换处理。通常，若我们取N个采样点，经过FFT运算之后，就可以得到N个点的FFT结果。但通常为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。设Fs为ADC的采样频率,N为傅立叶变换的点数.则有最小分辨频率f=Fs/N，因此频谱显示的最低频率就是fHz,以后每向右移一个点,频率值将增加fHz.由于FFT结果的对称性，通常只使用前N/2个采样点的结果。简而言之，使用A/D转换器对输入的音频信号进行采样以后，经过FFT变换，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED点阵，点亮相应的LED灯。限于篇幅，我们暂且不对FFT的数学原理进行过深的原理分析，以免打消大家的积极性，即使不很清楚FFT原理，按照我的步骤也可以做出漂亮动感的音乐频谱显示来。小贴士（1）：根据STC12A32S2单片机的资源情况，最多只有1280BRAM，我们取64点的FFT就可以满足要求，还达到更好的视觉效果，更高的刷新频率，以及为以后软件扩展留下余地。(二)电路原理图我们制作这个音乐频谱显示只是用来娱乐，所以没必要追求很高的精确度和工业级别稳定性，所以，我对电路进行了一系列的简化处理，这样既可以节省元器件，也可以减少DIY的难度，提高我们的兴趣。在不影响正常使用的情况下，我对电路进行了如下精简设计，但也相应的加入了不少亮点：a)采用USB接口供电，并且对USB接口进行了扩展。在没有额外占用电脑主机USB接口情况下，随时随地给系统供电；b)加入了触摸键设计，以及震动反馈。当触摸键响应时有震动反馈，及声光提示，如今很多触屏手机也有这种时尚设计;c)加入ThinkPad笔记本上的经典呼吸灯指示设计。如夏日里的萤火虫，一闪一闪亮晶晶，不仅有趣还能指示系统工作状态；d)省去了MCU的复位电路，以及晶振上的2个起振瓷片电容，但一般不影响系统正常工作；e)双音频插孔设计。不影响正常的音频输出，省去了音频分线器；f)去掉音频输入处理的电平移动电路，简化电路，并加入软自动增益控制，实现自动根据音乐的声音大小调节显示幅度；g)采用食人鱼LED来显示，不仅特别的亮，而且比用普通的草帽状LED效果更美，耐电流也更大，还省去了部分限流电阻,食人鱼LED有四个引脚，便于手工焊接，大量减少跳线。图二MCU部分的原理图（）呼吸灯触摸键图三点阵驱动电路图(三)编程思路1)在主函数中，单片机通过AD对音频数据采样，然后存放到数据缓存区进行预处理，完成AD滤波处理，自动增益控制信息扫描以及其他信息处理。接着，将缓存区数据送入快速傅立叶变换（FFT）处理子函数进行运算。处理完后，从缓存区取出运算结果，根据得到幅值计算出点阵的显示数据，并存储到显示缓存区。2)在中断函数中，根据显示缓冲区的内容对点阵显示屏进行实时刷新点亮。(四)程序流程图颜色：：：开始main()IO引脚初始化及功能设定集成AD上电初始化PWM呼吸灯初始化设定及启动PWM定时NY缓冲区及缓存数组初始化中断定时器初始化及启动定时器读取64个AD转换值进行自动增益调整及数据预处理送入FFT中进行数据分析转换计算出显示数据并更新到显示缓存按键功能控制自动增益控制检查触摸按键是否触发中断定时器启动定时器重装初值PWM呼吸灯亮度动态调节刷新显示缓存区数据来点亮点阵屏开机Logo显示(五)程序摘讲a)我们使用函数“IOINIT();”对输入输出口进行初始化，及设定好IO模式寄存器，我们需要把相应的IO配置成所需的引脚模式。根据STC12A系列的Datasheet，IO口可以设置成如下图所示的四种模式：图四IO模式寄存器特别需要注意的是要将P1.0，P1.1口设置成输入高阻态，用作ADC,语句“P1ASF=B(00000011);”将P10,P11的IO设置为模拟输入功能；小贴士（2）：这里有个特别的宏用法，把这段语句加到