基于STM32單片機的音樂頻譜顯示器設計

1. 系統(tǒng)設計主要涉及的有作為核心進行計算的STM32單片機的主控電路設計、實現(xiàn)藍牙電磁數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗H-M18藍牙音頻采集電路的設計、負責提供音樂切換控制信號的按鍵狀態(tài)采集電路、對FFT變換計算所得頻譜進行展示的OLED顯示電路以及作為物理功放的LM386音頻放大電路設計。
2. 原理圖：
   

3.程序框圖

主程序首先進行初始化，對系統(tǒng)的ADC、定時器、OLED等等進行初始參數(shù)配置，其后是對設計目標的計算工作。本設計主要分為三個大的模塊，一是藍牙的數(shù)據(jù)接收，二是音樂的傳輸播放，三是時域信號傅里葉變換后的頻域展示，其中最主要的是時域信號傅里葉變換后的頻域展示。主程序main中主要對頻譜在OLED上的顯示規(guī)則、FFT計算的相關需求進行了設計。

主程序的總體設計思路是系統(tǒng)開機后首先對STM32單片機內部進行復位，之后是對各項設置進行一個初始化操作，包括定時器、模數(shù)轉換器、通信協(xié)議等方面，然后程序開始正式運行，執(zhí)行功放和FFT任務，進入循環(huán)和等待控制信號。

藍牙傳輸模塊的作用是接收源設備所發(fā)射的藍牙音頻信號，并提供給音頻放大電路進行放大及播放。藍牙傳輸子程序，首先需要判斷藍牙狀態(tài)，確認藍牙開啟后進行參數(shù)掃描，掃描后選擇目標設備來進行連接，連接成功之后即可根據(jù)指令進行音頻信號接收。本設計的藍牙音樂源為手機，因此需設置適用于手機傳輸?shù)牟ㄌ芈?，并于手機相連。

按鍵狀態(tài)采集程序是用于實現(xiàn)對音樂的切換，完成上一曲、下一曲及暫停功能。按鍵狀態(tài)的采集程序較為簡單，僅需要對按鍵狀態(tài)采集電路中各個按鍵的狀態(tài)作出判斷，當按下不同按鈕后，STM32單片機獲取到不同的狀態(tài)信息，從而通過判斷語句實現(xiàn)音樂的切換功能。

4.算法的實現(xiàn)

傅里葉變換是時域與頻域之間轉換的重要工具?？焖俑凳献儞QFFT是一種用于計算離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法，它是對離散傅里葉變換的一種改進，常用于通信領域。它是傅里葉變化的一大進步，對于計算機系統(tǒng)中的時頻變換來說意義重大，根據(jù)奇、偶、虛、實等特性，它把原來復雜度為O(n ^2^ )的樸素多項式乘法轉化為了O(nlogn)的算法。

DFT的復雜度較高，不利于計算機計算，其計算表達式為

FFT算法利用DFT的奇偶相關特性，使時頻變換算法復雜度大大降低，具體的算法原理可見文件夾“DSP_Lib”中算法程序。

利用FFT實現(xiàn)交互的程序設計也可參見主函數(shù)main。首先要進行模數(shù)轉換，將電子元件中通過電壓傳遞的模擬信號采樣為數(shù)字信號，設計程序對數(shù)字信號進行緩存，緩存到一定數(shù)據(jù)量后對該段信號進行FFT計算，得到其頻譜數(shù)據(jù)；之后清楚數(shù)據(jù)，重復上述緩存及計算步驟。本設計需要采集的采樣頻率是10 kHz^[14]^。本設計對ADC緩存設計數(shù)量為256，即對256個時序信號點進行FFT算法運算，然后反饋至OLED顯示。音頻信號采集、FFT運算及OLED顯示效果程序設計思路：程序系統(tǒng)每次進入ADC_DMA數(shù)據(jù)傳輸中斷回滾函數(shù)后，就可以將ADC_DMA數(shù)據(jù)傳輸通道關閉，之后將 ADC轉換的數(shù)據(jù)展開傅里葉（FFT）運算、計算各次諧波幅值，根據(jù)用戶設定的特效模式，將各次諧波賦值代入到相應算法中，進行特效運算，最后OLED顯示音樂頻譜效果。FFT運算及OLED顯示流程如圖所示。

5.主代碼展示：

/* 變量定義 */
uint16_t adc_buff[NPT];                //ADC緩存變量
uint8_t AdcConvEnd;                    //DMA轉換完成標志位
long InBufArray[NPT];                  //輸入數(shù)組
long OutBufArray[NPT/2];              //輸出數(shù)組
long MagBufArray[NPT/2];              //諧波數(shù)組
uint8_t flag;
uint8_t key_flag;                      //按鍵標志位


/* 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是為了符合浮點數(shù)計算規(guī)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[]為計算輸出的幅值數(shù)組
  }
}


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