FFT在单片机上的实现
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FFT在单片机上的实现摘要音频信号分析仪是一种可广泛见于各种音响、调音和录音设备上的,能实时地采样及分析输入的音频信号的频谱,并将其显示在显示屏上的设备,使人在聆听音乐时能对音乐的高低频能有直观的了解。
本文所介绍的即是这样一个音频信号分析系统。
系统的硬件由信号调理、控制处理器、显示模块三部分组成。
信号调理电路使信号可输入300mV~3V的交流音频信号。
这里只对单路信号处理:当电压较低时使用LM324运放获得增益,对超过12800Hz的信号进行滤波处理。
另外设置输出音频接口以便监听。
控制处理器采用51内核1T单片机STC12C60A5S2,晶振频率为32.768MHz。
该单片机自带8路10位高速ADC,这里只用1路ADC的高8位。
对信号连续采32个点进行浮点型FFT运算。
一次完整采样的时间为1.25ms,最高采样频率为25600Hz,分辨频率为800Hz~12800Hz,分16级。
显示部分主体为1602液晶显示屏,其具有2行×16列的8×5点显示点阵。
16分频谱将分别以柱高形式显示在显示屏上。
程序中设置了频率下落效果以使观感更好。
另设置了对比度调节电阻,使屏幕对比度可调。
关键词:FFT 单片机音频频谱THE REALIZATION OF FFT IN THEMICROCONTROALERABSTRACTAudio signal analyzer is a kind of device which can be widely found in various of audio, mixing and recording devices, and can sampling and analysis of the spectrum of the input have an intuitive audio signal and displays it on the display in real-time, people can are listening to Music for music when high frequency understanding. What presented in this article is just such an audio signal analysis system. The hardware of the system are formed with three parts: the signal conditioner, the control processor and the display module.Signal conditioning circuit makes the signal of 300mV ~ 3V AC audio signal available for inputting. In this system,we only process with single-channel signal: When the voltage is lower the system uses LM324 op amp to gain voltage, and as to signals more than 12800Hz it filters them. In addition the system sets an output audio interface for monitoring.The control processor of the system is the 51 cores 1T MCU STC12C60A5S2, with 32.768MHz crystal frequency. The device comes with 8-channel &10-bit high-speed ADC, where only one channel ADC high 8. The signal collected 32 points in consecutive floating-point FFT operation. A complete sampling time is 1.25ms, the maximum sampling frequency is 25600Hz, and the distinguish frequency is 800Hz ~ 12800Hz, with 16 levels.The main display section is 1602 LCD screen, which has 2 rows ×16 columns - 8 × 5 dot display matrix. 16 points to the column height spectrum will be displayed on the display. The process of setting of the frequency drop in the perception of better effect. There is also contrast adjustment resistor, which makes the screen contrast adjustable.KEY WORDS:FFT,MCU,AUDIO SPECTRUM目录绪论 (1)§1.1研究的背景及意义 (1)§1.1.1课题研究背景 (1)§1.1.2课题研究意义 (1)§1.2课题发展的状况 (1)§1.3设计任务 (2)第1章系统方案设计 (3)§1.1 系统方案设计 (3)§1.2系统硬件的选择 (3)§1.2.1处理器的比较与选择 (3)§1.2.2采样模块的确定 (4)§1.2.3显示器件的比较和选择 (4)第2章系统硬件设计 (5)§2.1 单片机STC12C5A60S2 (5)§2.1.1单片机STC12C5A60S2功能简介 (5)§2.1.2 单片机STC12C5A60S2引脚图 (6)§2.1.2 单片机的最小系统 (6)§2.2 显示屏LCD1602 (7)§2.2.1 LCD1602简介 (7)§2.2.2 LCD1602的硬件连接 (8)§2.3.1 LM324电压增益与偏移电路 (9)§2.3.2 滤波电路 (10)第3章系统软件设计 (11)§3.1系统软件总体设计 (11)§3.2 系统软件详细设计 (12)§3.2.1 系统的准备和初始化 (12)§3.2.2 AD采样子程序 (13)§3.2.3 FFT算法与蝶形运算 (15)§3.2.4 显示子程序 (17)第4章系统调试 (20)§4.1 信号电压调试 (20)§4.2 单频率信号测试 (20)§4.2.1 实际频率分度测试 (21)§4.2.1 频率混叠和滤波效果 (22)§4.3 实际使用效果 (22)结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)附录 (27)一、主程序代码 (27)二、原理图 (35)绪论§1.1研究的背景及意义§1.1.1课题研究背景在家庭影院、卡拉OK等音响系统中,实时显示音乐信号的频谱将为音响系统增不少色彩。
目前实际生产的音响系统产品,大多采用以下两种方法实现音频频谱显示:一是利用硬件滤波器和A/D转换器;二是利用单片机或DSP处理频谱显示。
前者实现简单,但硬件成本高;后者软件和硬件实现都较复杂。
§1.1.2课题研究意义目前,大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格贵,在一些特殊方面难以普及使用,而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点,所以开发基于特殊功能单片机的音频信号分析仪器是语音识别的基础,具有很好的现实意义。
§1.2课题发展的状况早期专业的音频分析仪种类很少,在做音频测量时一般是利用万用电表、频率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。
这种测试系统中间环节多,各环节之间接口匹配较为困难,使用起来比较麻烦,测量结果往往也不精确。
传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。
由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上,频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。
无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。
但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。
近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致,朝着高度集成化、智能化的方向发展,这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等,具备了一些初步的图形化分析功能,使用户很容易组建音频测量系统。
基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪,通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果,。
这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
在这种频谱分析仪中,为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍,亦即频率上限是100MHz 的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。
目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC,亦即,原理上仪器可达到2GHz的带宽,为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。
这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。
§1.3设计任务1、完成信号电压调理电路和硬件的连接电路的设计。
制作出硬件实物。
2、ADC模块能正确采集到音频的完整波形,并保证一定的精度。
3、学习频谱分析和傅里叶变换有关原理,使用FFT算法分析出当前音频的频谱。
4、设计显示程序,使显示屏能实时地、以柱状图的形式将音频频谱显示出来,并有一定的美观效果。
第1章系统方案设计§1.1 系统方案设计图1-1 系统总体方案系统由信号调理电路、数模转换模块、主控制器、显示部件组成。