基于STM32单片机的音乐频谱显示器设计

CHANBAEK 2023-08-22 6211

描述

系统设计主要涉及的有作为核心进行计算的STM32单片机的主控电路设计、实现蓝牙电磁数据传输的MH-M18蓝牙音频采集电路的设计、负责提供音乐切换控制信号的按键状态采集电路、对FFT变换计算所得频谱进行展示的OLED显示电路以及作为物理功放的LM386音频放大电路设计。
原理图：

3.程序框图

单片机

主程序首先进行初始化，对系统的ADC、定时器、OLED等等进行初始参数配置，其后是对设计目标的计算工作。本设计主要分为三个大的模块，一是蓝牙的数据接收，二是音乐的传输播放，三是时域信号傅里叶变换后的频域展示，其中最主要的是时域信号傅里叶变换后的频域展示。主程序main中主要对频谱在OLED上的显示规则、FFT计算的相关需求进行了设计。

单片机

主程序的总体设计思路是系统开机后首先对STM32单片机内部进行复位，之后是对各项设置进行一个初始化操作，包括定时器、模数转换器、通信协议等方面，然后程序开始正式运行，执行功放和FFT任务，进入循环和等待控制信号。

单片机

蓝牙传输模块的作用是接收源设备所发射的蓝牙音频信号，并提供给音频放大电路进行放大及播放。蓝牙传输子程序，首先需要判断蓝牙状态，确认蓝牙开启后进行参数扫描，扫描后选择目标设备来进行连接，连接成功之后即可根据指令进行音频信号接收。本设计的蓝牙音乐源为手机，因此需设置适用于手机传输的波特率，并于手机相连。

单片机

按键状态采集程序是用于实现对音乐的切换，完成上一曲、下一曲及暂停功能。按键状态的采集程序较为简单，仅需要对按键状态采集电路中各个按键的状态作出判断，当按下不同按钮后，STM32单片机获取到不同的状态信息，从而通过判断语句实现音乐的切换功能。

4.算法的实现

傅里叶变换是时域与频域之间转换的重要工具。快速傅氏变换FFT是一种用于计算离散傅里叶变换（DFT）的一种快速算法，它是对离散傅里叶变换的一种改进，常用于通信领域。它是傅里叶变化的一大进步，对于计算机系统中的时频变换来说意义重大，根据奇、偶、虚、实等特性，它把原来复杂度为O(n ^2^ )的朴素多项式乘法转化为了O(nlogn)的算法。

DFT的复杂度较高，不利于计算机计算，其计算表达式为

FFT算法利用DFT的奇偶相关特性，使时频变换算法复杂度大大降低，具体的算法原理可见文件夹“DSP_Lib”中算法程序。

利用FFT实现交互的程序设计也可参见主函数main。首先要进行模数转换，将电子元件中通过电压传递的模拟信号采样为数字信号，设计程序对数字信号进行缓存，缓存到一定数据量后对该段信号进行FFT计算，得到其频谱数据；之后清楚数据，重复上述缓存及计算步骤。本设计需要采集的采样频率是10 kHz^[14]^。本设计对ADC缓存设计数量为256，即对256个时序信号点进行FFT算法运算，然后反馈至OLED显示。音频信号采集、FFT运算及OLED显示效果程序设计思路：程序系统每次进入ADC_DMA数据传输中断回滚函数后，就可以将ADC_DMA数据传输通道关闭，之后将 ADC转换的数据展开傅里叶（FFT）运算、计算各次谐波幅值，根据用户设定的特效模式，将各次谐波赋值代入到相应算法中，进行特效运算，最后OLED显示音乐频谱效果。FFT运算及OLED显示流程如图所示。

单片机

5.主代码展示：

/* 变量定义 */
uint16_t adc_buff[NPT];                //ADC缓存变量
uint8_t AdcConvEnd;                    //DMA转换完成标志位
long InBufArray[NPT];                  //输入数组
long OutBufArray[NPT/2];              //输出数组
long MagBufArray[NPT/2];              //谐波数组
uint8_t flag;
uint8_t key_flag;                      //按键标志位


/* USER CODE END PV */


/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */


void GetPowerMag()
{
  signed short lX,lY;
  float X,Y,Mag;
  unsigned short i;
  for(i=0; i< NPT/2; i++)
  {
    lX  = (OutBufArray[i] < < 16) > > 16;
    lY  = (OutBufArray[i] > > 16);

    //除以32768再乘65536是为了符合浮点数计算规律
    X = NPT * ((float)lX) / 32768;
    Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
    Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;
    if(i == 0)
      MagBufArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
    else
      MagBufArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);   //MagBufArray[]为计算输出的幅值数组
  }
}


/* 显示柱子高度 */
void display(uint8_t x, uint8_t height)
{
  uint8_t i, j, data, k;
  for(i=0; i< 8; i++)//显示高度
  {
    OLED_Set_Pos(x*4, i);

    if(((i+1)*8) <= (64-height))
      data = 0x00;
    else{
      if((((i+1)*8)-(64-height)) < 8){
        data = 0;
        for(k=0; k< (((i+1)*8)-(64-height)); k++)
        {
          data > >= 1;
          data |= 0x80;
        }
      }
      else
        data = 0xff;
    }

    for(j=0; j< 3; j++)
    {
      OLED_WR_Byte(data, OLED_DATA);
    }
  }
}

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