摘 要： 詳細介紹了一種基于ARM的音頻頻譜顯示系統的實現，整個音頻顯示系統包括音頻信號采集、音頻信號處理以及音頻信號轉換后的顯示等功能。在設計中綜合了聲音采集、ARM技術及FFT算法，構建了一個實時采集的頻譜顯示系統，可以應用于各種需要對聲音進行采集和分析的場合。其中，硬件系統主要包括聲音信號的采集與處理、最小系統、電源和顯示模塊；而軟件系統則是將ADC轉換的數據通過FFT算法后顯示在LCM12864顯示器上。測試結果表明，該系統具有較好的實時性和準確性。
關鍵詞： 音頻；頻譜顯示；FFT；ARM
本文設計了基于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實現對音頻頻譜的分析處理，取代了傳統使用純硬件濾波器或專用數字處理芯片DSP來實現的方法，具有較高的實用價值。本文采用ARM作為控制核心[1-3]，充分發揮了其功耗超低、精度較高等優勢，其他各部分電路設計也充分考慮了簡單、可靠、經濟等因素，為實際應用提供了一定的參考價值。
1 系統總體設計方案
1.1 系統控制芯片選擇
本系統以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，采用三級流水線結構且片上資源豐富，能夠很好地實現系統的控制和算法，甚至能簡化一些復雜的硬件電路。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、通用性的優點，而且還可以根據市場的需求組合，價格上也有一定的優勢，本系統最終選擇ARM的芯片方案來構建音視頻處理平臺。
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集成芯片產生一個頻率穩定度和精度相當高的信號作為FIFO的時鐘，然后由FIFO對A/D轉換的結果進行采集和存儲，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，已經遠遠可以實現本文期望的采樣率，而且控制方成本較低，因此選擇由MCU直接采樣。
方案一實現簡單，但硬件成本高，方案二軟件和硬件實現都較簡單。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 系統控制方案選擇
在整個音頻處理系統中，采用順序、循環掃描和定時輸出顯示的方式來對整個系統控制[4]。軟件系統中的各個子程序逐步實現，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、維護及開發周期短等特點。最重要的是實現了程序中數據的快速處理輸出，使得將來的擴展更加方便。因此選用的主控芯片是SN32F700。
在上述硬件電路設計中，主要著眼于音頻信號預處理電路的設計。在實際應用中，音頻信號主要來源是咪頭、麥克風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，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 音頻預處理放大電路
由于在實際的音頻運用中，音頻信號會出現電壓為負值的現象，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。根據以上分析，設計出的音頻預處理電路如圖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。將輸入的負電壓信號變成正的電壓信號，其原理是串聯電阻分壓和RC組成的低通濾波器根據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，它主要由行驅動器、列驅動器以及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 系統的軟件設計與調試
系統的調試包括硬件平臺的調試與系統程序的調試。在每一個工程中，調試都是一個非常重要且十分復雜的環節。
3.1 系統的軟件設計
本系統軟件程序設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，使得程序的結構更加簡單，對于以后相應的開發可以很好地進行移植[5-6]。
3.2 系統的測試
系統的測試電路是將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。可以明顯看出，信號1與信號2的波形是相反的，相位相差180°。
1 kHz的正弦波輸入經過音頻采集電路和音頻預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計方法，完成了音頻頻譜顯示器的設計和制作，并對其進行了性能測試。測試結果表明，整個系統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，實現了預期的效果。
參考文獻
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[2] 周立功，王祖麟，陳明計，等.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
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