摘  要： 利用32位STM32F103 ARM和快速傅里葉變換（FFT）算法,，實(shí)現(xiàn)了音樂頻率幅度彩燈指示器的設(shè)計(jì),，該彩燈指示器可以指示不同的頻率等級(jí)和音量等級(jí)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),，電路功能實(shí)現(xiàn)較好,，只要接入信號(hào)就能測(cè)量，無(wú)需過多的人為操作,。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了FFT算法的準(zhǔn)確性, 進(jìn)一步證實(shí)了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)音頻信號(hào)不同的頻段等級(jí)和音量等級(jí)具有較好的指示效果,，具有較好的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞： STM32F103單片機(jī),；FFT算法,；音樂信號(hào)；幅度,；頻率,；LED燈

    本文主要討論了音樂頻率幅度彩燈指示器的設(shè)計(jì)與制作，設(shè)定音量等級(jí)為32級(jí),，頻率等級(jí)為15級(jí),，每一頻率等級(jí)下的音量等級(jí)又分為31級(jí)；以嵌入式單片機(jī)STM32F103作為主控制核心,，以音樂信號(hào)自動(dòng)增益,、電壓抬高,、真有效值測(cè)量、LCD顯示,、按鍵等作為輔助硬件電路,；采用快速傅里葉變換FFT（Fast Fourier Transform）理論對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的頻域分析和處理。在此方案下完成音樂頻率幅度彩燈指示器的設(shè)計(jì)后,，以信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波,、方波以及手機(jī)播放的任意MP3音樂（即音頻信號(hào)）作為輸入信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)題目的全部基礎(chǔ)和提高要求,，具有較好的音樂信號(hào)頻率等級(jí)和幅度等級(jí)指示效果,。
1 理論分析和計(jì)算
1.1 快速傅里葉變換原理
    快速傅里葉變換（FFT）是1965年由J.W.庫(kù)利和T.W.圖基提出的[1-3]計(jì)算離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)離散傅氏變換的奇,、偶,、虛、實(shí)等特性進(jìn)行改進(jìn)的一種DFT算法,。計(jì)算有限長(zhǎng)信號(hào)序列x(n)的離散傅里葉變換時(shí),，其正變換式如下所示：


2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
    所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體原理圖如圖1所示。其中,，ARM控制器采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103芯片,，內(nèi)有2個(gè)12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器、7個(gè)定時(shí)器,、9個(gè)通信接口,，最高工作頻率72 MHz，足以滿足設(shè)計(jì)需求,；音頻信號(hào)的峰-峰值范圍為0～Vmax,，Vmax的大小根據(jù)需要設(shè)定，頻率范圍為50 Hz～10 kHz,。為了避免輸入信號(hào)過小和保證輸入信號(hào)的幅值為正,，需要對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)增益和抬高電壓預(yù)處理，預(yù)處理后的音頻信號(hào)的峰-峰值范圍約為0～3 V,，然后經(jīng)過A/D采樣,，快速傅里葉（FFT）變換，得到不同的等級(jí)的頻率和音量,，經(jīng)過串口輸出,；點(diǎn)陣電路大小為32×64，采用AT89S51單片機(jī)對(duì)其控制[4-6],。在LED陣列中,，其中前15列表示15個(gè)頻率等級(jí)，第16列表示總音量等級(jí)；另采用一行16個(gè)LED燈,，用其亮度指示每個(gè)頻段下音量的強(qiáng)弱,。整體電路采用模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單易懂,，易于調(diào)試和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求,。

2.2 主要單元電路
    采用STM32F103 ARM芯片，配置外部5 V的直流電源和晶振電路就可以構(gòu)成單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電路,，限于篇幅,，其最小系統(tǒng)電路圖忽略，文中主要介紹關(guān)鍵的硬件單元電路,，即音頻信號(hào)預(yù)處理電路和電壓真有效測(cè)量電路,，限于篇幅，僅介紹電路組成及功能,，硬件單元電路圖忽略。
2.2.1 音頻信號(hào)預(yù)處理電路
    音頻信號(hào)預(yù)處理電路主要包含兩個(gè)部分：電壓自動(dòng)增益電路,、電壓抬高電路,。由于輸入音頻信號(hào)的電壓范圍（峰－峰值）為0～5 V，當(dāng)音頻信號(hào)電壓的峰－峰值比較小時(shí),，信號(hào)的幅值較小,，受外界信號(hào)干擾大，容易引起測(cè)量不準(zhǔn),，所以要采用放大電路,。設(shè)計(jì)中選用OP2365組成三級(jí)增益可調(diào)的放大電路，電壓增益可調(diào)范圍分為四檔：10 mV～200 mV,，70 mV～750 mV,，200 mV～2 V和300 mV～5 V。當(dāng)輸入音頻信號(hào)電壓值較小時(shí),，就選擇增益較大的一檔進(jìn)行調(diào)節(jié),；當(dāng)輸入音頻信號(hào)電壓值較大時(shí)，就不需要再對(duì)信號(hào)放大,。另外,，音頻信號(hào)采樣時(shí)，要求輸入信號(hào)的電壓范圍不能有負(fù)值,，并保證被轉(zhuǎn)換電壓的幅值范圍在STM32F103芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的處理范圍內(nèi),，這就需要對(duì)輸入信號(hào)電壓負(fù)值進(jìn)行抬高處理，保證信號(hào)電壓為正值,。經(jīng)過抬高處理后,，正弦信號(hào)的負(fù)峰值點(diǎn)剛好和橫軸相交，抬高電壓值vtg=3.3 V。
2.2.2 真有效值電壓檢測(cè)電路
    交流電壓的真有效值是通過電路對(duì)輸入交流電壓進(jìn)行“平方—求平均值—開平方”的運(yùn)算而得到的,。設(shè)計(jì)中采用AD736和OP07組成真有效值電壓檢測(cè)電路,。AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器，準(zhǔn)確度較高,、頻率特性較好,。OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路,，具有低失調(diào),、高開環(huán)增益的特性。實(shí)際測(cè)試中,，該電路測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%,。假設(shè)輸入信號(hào)的峰值為vmax，則有效值,，檢測(cè)出峰值后,，按照比例進(jìn)行放大。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
      系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),，分為主程序和子程序兩大部分,。主控制芯片采用STM32F103，由于處理器速度較快,，所以采用C語(yǔ)言編程,，方便簡(jiǎn)單。子程序包括A/D采樣,、周期性判斷,、FFT變換、延時(shí),、LED驅(qū)動(dòng),、LCD顯示等。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示,，限于篇幅,，文中僅介紹FFT變換子程序。系統(tǒng)通過模式選擇按鍵進(jìn)入不同的功能,。對(duì)頻率的指示采用兩種頻率等級(jí)計(jì)算方法：線性方法和對(duì)數(shù)方法,。線性方法是在最低頻率點(diǎn)和最大頻率點(diǎn)之間進(jìn)行15等分，得到各個(gè)頻率點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的幅度,，然后根據(jù)這些頻點(diǎn)計(jì)算出中心頻率點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的幅度,；對(duì)數(shù)方式是在最低頻率點(diǎn)和最大頻率點(diǎn)之間采用對(duì)數(shù)函數(shù)計(jì)算15個(gè)頻率等級(jí)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的幅度。同時(shí),，系統(tǒng)也采用了按鍵模式來(lái)控制各個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的音量強(qiáng)弱,。系統(tǒng)輸入信號(hào)自動(dòng)增益的檔位、按鍵模式、對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)下的幅度及總的幅度會(huì)顯示在LCD液晶屏上,。

4 測(cè)試方法與結(jié)果分析

    測(cè)試中,，輸入信號(hào)經(jīng)過音頻輸入預(yù)處理電路，系統(tǒng)處理的電壓在0~3.3 V范圍內(nèi),。同時(shí),，在硬件系統(tǒng)測(cè)試之前，要驗(yàn)證自編的FFT算法對(duì)信號(hào)處理的準(zhǔn)確性,。
    首先任意選擇一個(gè)WAV音頻信號(hào)進(jìn)行自編FFT程序的測(cè)試,。測(cè)試中借助了MATLAB軟件中自帶的FFT子程序，設(shè)定一個(gè)采用頻率,，選取不同的采樣點(diǎn)128和1 024,，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行頻譜分析，觀察采樣點(diǎn)選擇不同信號(hào)對(duì)頻域分析的影響,，得到的仿真結(jié)果如圖3所示,。對(duì)其進(jìn)行信號(hào)頻譜分析的結(jié)果與自編FFT程序在STM32F103單片機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差小于0.1%,，頻譜圖形狀幾乎與MATLAB仿真波形一致,，證實(shí)了自編FFT算法的正確性。

    結(jié)合仿真分析結(jié)果,，對(duì)系統(tǒng)選定的采樣頻率為fs=23.81 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024,，又知輸入信號(hào)的最大頻率為10 kHz,，則測(cè)定的采樣頻率fs>20 kHz，滿足香農(nóng)采樣定理,，故fs選定符合理論分析結(jié)果,。在此采樣頻率下，最小采樣頻點(diǎn)為23.25 Hz,，最大采樣頻點(diǎn)為10.74 kHz,，分別采用線性方法和對(duì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率分析和處理。
    然后采用方波和不同頻率的正弦波作為輸入信號(hào),，對(duì)FFT變換結(jié)果進(jìn)行量化,，根據(jù)能量定理，檢驗(yàn)各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值,；同時(shí)觀察最大幅值在數(shù)組的位置P,，以及被測(cè)信號(hào)頻率f、采樣頻率fs,、采樣點(diǎn)數(shù)N(測(cè)試中取N=1 024)之間的關(guān)系是否滿足公式f=(fs/N)×P,。對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行得到的頻譜分析數(shù)據(jù)與采用MATLAB軟件進(jìn)行FFT分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，觀測(cè)到兩種方法在相同頻點(diǎn)處信號(hào)的幅度和功率數(shù)據(jù)變化不大，由此驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的STM32F103單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)頻域分析的準(zhǔn)確性,。
    最后,，任意選擇手機(jī)播放的男聲、女聲演唱的MP3歌曲作為輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,，觀測(cè)播放時(shí)15個(gè)頻率等級(jí),、每一個(gè)頻率等級(jí)下31個(gè)等級(jí)的音量強(qiáng)弱的LED指示情況以及32個(gè)總音量等級(jí)的LED指示情況，觀察音樂幅度,、頻率的LED指示效果,，根據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行程序調(diào)試，同時(shí)觀測(cè)LCD顯示的最大4個(gè)功率（即幅度值）所在的頻率點(diǎn)以及總功率并記錄數(shù)據(jù),。
    以正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)的總功率測(cè)量和單個(gè)頻率分量測(cè)量得到的結(jié)果分別如表1和表2所示,，測(cè)試結(jié)果表明測(cè)試數(shù)據(jù)和用電腦模擬的結(jié)果很接近。

    應(yīng)用STM32F103 ARM最小控制系統(tǒng)和快速傅里葉變換（FFT）算法,，并結(jié)合LED點(diǎn)陣技術(shù),，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)音樂頻率幅度彩燈指示器。系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì),，各模塊之間串口少,，調(diào)試方便；音頻輸入信號(hào)預(yù)處理電路具有自動(dòng)增益和電壓抬高功能,，頻率等級(jí)分析方法分為線性均分和對(duì)數(shù)處理兩種,，可以通過按鍵進(jìn)行方法選擇，同時(shí)頻率等級(jí)的大小由LED燈的個(gè)數(shù)指示,，且指示結(jié)果較準(zhǔn)確,；每一頻段的大小及該頻段下音量的強(qiáng)弱和所有頻段下的總音量強(qiáng)弱都能由LED燈的亮度變化進(jìn)行指示。分別采用標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)和正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,，同時(shí)借助MATLAB的FFT分析結(jié)果,，驗(yàn)證了自編FFT算法在STM32F103單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行的準(zhǔn)確性，然后應(yīng)用任意音頻輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試結(jié)果實(shí)現(xiàn)了比賽題目的基礎(chǔ)要求和提高要求,，證實(shí)了所設(shè)計(jì)的音樂頻率幅度指示器具有較好的頻率等級(jí)和音量等級(jí)指示效果，而且整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)都具有重要的理論研究意義和實(shí)用意義,。
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