摘 要： 詳細介紹了一種基于ARM的音頻頻譜顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)，整個音頻顯示系統(tǒng)包括音頻信號采集、音頻信號處理以及音頻信號轉(zhuǎn)換后的顯示等功能。在設(shè)計中綜合了聲音采集、ARM技術(shù)及FFT算法，構(gòu)建了一個實時采集的頻譜顯示系統(tǒng)，可以應(yīng)用于各種需要對聲音進行采集和分析的場合。其中，硬件系統(tǒng)主要包括聲音信號的采集與處理、最小系統(tǒng)、電源和顯示模塊；而軟件系統(tǒng)則是將ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過FFT算法后顯示在LCM12864顯示器上。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的實時性和準確性。
關(guān)鍵詞： 音頻；頻譜顯示；FFT；ARM
本文設(shè)計了基于SONiX公司的ARM Cortex-M0 SN32F700的音頻頻譜顯示器，采用性價比較高的Cortex-M0 SN32F700實現(xiàn)對音頻頻譜的分析處理，取代了傳統(tǒng)使用純硬件濾波器或?qū)Ｓ脭?shù)字處理芯片DSP來實現(xiàn)的方法，具有較高的實用價值。本文采用ARM作為控制核心[1-3]，充分發(fā)揮了其功耗超低、精度較高等優(yōu)勢，其他各部分電路設(shè)計也充分考慮了簡單、可靠、經(jīng)濟等因素，為實際應(yīng)用提供了一定的參考價值。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
1.1 系統(tǒng)控制芯片選擇
本系統(tǒng)以SONiX公司的ARM Cortex-M0 SN32F700芯片為控制核心，SN32F700的主時鐘的速率為50 MHz，采用三級流水線結(jié)構(gòu)且片上資源豐富，能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和算法，甚至能簡化一些復(fù)雜的硬件電路。相比于普通的單片機，采用ARM作主控芯片的方案具有靈活性、可擴展性、通用性的優(yōu)點，而且還可以根據(jù)市場的需求組合，價格上也有一定的優(yōu)勢，本系統(tǒng)最終選擇ARM的芯片方案來構(gòu)建音視頻處理平臺。
1.2 音頻頻譜顯示方案
方案一 利用硬件濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器，并用DDS芯片配合FIFO對信號進行采集，通過DDS集成芯片產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定度和精度相當高的信號作為FIFO的時鐘，然后由FIFO對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行采集和存儲，最后送入MCU進行處理。
方案二 直接由32位MCU的定時中斷進行信號的采集，然后對信號進行分析。因為32位MCU是50 MHz的單指令周期處理器，所以其定時精確度為20.0 ns，已經(jīng)遠遠可以實現(xiàn)本文期望的采樣率，而且控制方成本較低，因此選擇由MCU直接采樣。
方案一實現(xiàn)簡單，但硬件成本高，方案二軟件和硬件實現(xiàn)都較簡單。而這里針對ARM資源多、運算速度快的特點，提出一種切實可行的快速傅里葉變換算法實現(xiàn)頻譜顯示。因此選取方案二作為音頻頻譜顯示計方案。
1.3 系統(tǒng)控制方案選擇
在整個音頻處理系統(tǒng)中，采用順序、循環(huán)掃描和定時輸出顯示的方式來對整個系統(tǒng)控制[4]。軟件系統(tǒng)中的各個子程序逐步實現(xiàn)，最后再將所需要的子程序合并，這樣就具有編寫代碼容易、易于移植、維護及開發(fā)周期短等特點。最重要的是實現(xiàn)了程序中數(shù)據(jù)的快速處理輸出，使得將來的擴展更加方便。因此選用的主控芯片是SN32F700。
在上述硬件電路設(shè)計中，主要著眼于音頻信號預(yù)處理電路的設(shè)計。在實際應(yīng)用中，音頻信號主要來源是咪頭、麥克風(fēng)輸入信號或者是播放器輸出信號，圖3所示是一段電腦播放音樂時聲卡輸出的音頻波形。
從圖3可以看到，電腦上的聲音信號的電壓有正、負兩種狀態(tài)，當直接從電腦上取聲音信號時，需要對其進行處理，使采集的電壓全為正。下面介紹如何對信號進行處理，可以直接從電腦上取出聲音信號，也可以通過采集電路采集外界的聲音信號。
2.3 音頻預(yù)處理放大電路
由于在實際的音頻運用中，音頻信號會出現(xiàn)電壓為負值的現(xiàn)象，而單片機只能識別0和1，對負電平不能處理，因此要對音頻信號進行處理，使得音頻信號最后的輸入達到單片機的電壓變換范圍，即在AVREFH和AVREFL之間，以便于MCU進行ADC轉(zhuǎn)換。
由于是對聲音信號處理，因此選擇了對于音頻信號具有很低失真率的LM358運算放大器。根據(jù)以上分析，設(shè)計出的音頻預(yù)處理電路如圖4所示。
圖4中電阻R5、R6更具運算放大器中虛短與虛斷的特性，即反相端2和同相端3兩個輸入口的電壓和電流相等，R5、R6組成的是一個運算放大電路，（1+R5/R6）是其放大倍數(shù)。將輸入的負電壓信號變成正的電壓信號，其原理是串聯(lián)電阻分壓和RC組成的低通濾波器根據(jù)輸入電壓的高低對輸入信號進行充放電，使輸入信號的電壓得到升高。
2.4 音頻顯示電路
本設(shè)計所選用的顯示屏LCM是JDL12864G-04。JDL12864G-04模塊是點陣液晶顯示模塊，它主要由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器以及128×64全點陣液晶顯示器組成，可以完成圖形和8×4個漢字（16×16點陣）。
LCM向用戶提供一個標準的LCD顯示驅(qū)動接口（有4位、8位和VGA等不同類型），用戶按照接口要求進行操作來控制LCD正確顯示。相比玻璃LCM是一種更高集成度的LCD產(chǎn)品，對小尺寸LCD顯示，LCM可以比較方便地與各種微控制器（比如單片機）連接。由于SN32F700的時鐘頻率是50 MHz，則每秒鐘對LCM的可刷新次數(shù)為50 M/（128×64×8）=762次，完全滿足頻譜刷新的頻率。LCM12864顯示電路如圖5所示。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與調(diào)試
系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件平臺的調(diào)試與系統(tǒng)程序的調(diào)試。在每一個工程中，調(diào)試都是一個非常重要且十分復(fù)雜的環(huán)節(jié)。
3.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計中包含了初始化部分、音頻采集部分、FFT運算部分、幅值計算部分及頻譜顯示部分。每個部分可以清晰地了解程序的流程，使得程序的結(jié)構(gòu)更加簡單，對于以后相應(yīng)的開發(fā)可以很好地進行移植[5-6]。
3.2 系統(tǒng)的測試
系統(tǒng)的測試電路是將1 kHz的正弦波作為聲音信號輸入到電路中，圖6是聲音信號經(jīng)過聲音采集電路后的顯示。其中，信號1是輸出，信號2是輸入?？梢悦黠@看出，信號1與信號2的波形是相反的，相位相差180°。
1 kHz的正弦波輸入經(jīng)過音頻采集電路和音頻預(yù)處理電路后的顯示如圖7所示。其中，信號線1為輸入，信號2為輸出，輸入與輸出方向相同，相位無差別。
本文介紹了基于ARM的音頻頻譜顯示器的設(shè)計方法，完成了音頻頻譜顯示器的設(shè)計和制作，并對其進行了性能測試。測試結(jié)果表明，整個系統(tǒng)能夠順利采集音頻信號并進行處理，最終在LCD上顯示所采集的頻譜圖，達到一個較好的性能，實現(xiàn)了預(yù)期的效果。
參考文獻
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