引言
音樂噴泉是現代科技與藝術的綜合，利用噴泉來表現音樂的美，令人賞心悅目。目前許多單位均推出了自己的音樂噴泉，取得了良好的效果。但縱觀這些音控產品，有的利用音樂的時域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個頻段來控制噴泉的花型，且多采用低頻、中頻和高頻三個頻段來控制。缺點是都沒有在頻域上很好地展現音樂，因此不能很好地體現音樂的內涵。本設計針對這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的變化，通過噴泉水柱的噴射高低來實時地展現音樂的頻譜。
總體設計
首先對音頻信號進行放大、濾波、采樣和A/D轉換等預處理，經過DSP對音頻信號進行傅立葉變換，可以得到音頻信號的頻譜，即各頻率對應聲音信號的強度，通過變頻控制系統就可以將頻譜圖用噴泉的水柱表現出來，水柱的高低按線性比例反映音頻信號的幅度。設每次對音頻信號的采樣個數為n，系統總的結構如圖(1)所示。
圖1 總體設計框圖
具體設計
芯片及功能模塊介紹
TLV320AIC23(簡稱AIC23)是一個高性能的多媒體數字語音編解碼器，它的內部ADC和DAC轉換模塊帶有完整的數字濾波器。內部有11個16位寄存器，控制接口具有SPI和I2C工作方式。數據傳輸寬度可以是16位，20位，24位和32位，采樣頻率范圍支持從8kHz到96kHz。在ADC采集達到96kHz時噪音為90-dBA，能夠高保真的保存音頻信號。在DAC轉換達到96kHz時噪音為100-dBA，能夠高品質的數字回放音頻。
TMS320C6713是TI公司生產的一種高速數字信號處理器(DSP)，他采用先進的超長指令字(VLIW)結構，每時鐘周期可以執行8條32b指令，最高時鐘頻率可以達到300MHz，指令周期最小3.3ns。該芯片具有豐富的片內存儲器資源和多種片上外設，外部總的存儲器地址空間最大512MB，數據寬度為32b，可以支持SBRAM，SDRAM，SRAM，FALSH和EPROM。
TMS320C6713中有兩個多通道緩沖串口(McBSP)，可以方便地利用這兩個McBSP完成對AIC23的控制和通信。
硬件連接
TMS320C6713與TLV320AIC23的連接
TMS320C6713的兩個多通道緩沖串口分別配置成I2C模式和SPI模式McBSP0作為數據的發送端口，McBSP1作為控制端口，對AIC23寫控制字TMS320C6713與AIC23的硬件連接圖如圖2所示。
圖2 TMS320C6713與TLV320AIC23的硬件連接
變頻控制系統設計
變頻控制系統是由變頻控制器、變頻分配器和變頻器構成。對于8路以下的控制系統變頻控制系統可采用圖3所示的控制方法。
圖3 變頻控制系統
經DSP處理后的音樂信號自動轉換成變頻調速器所要求的4~20mA直流電流信號。輸出直流電流信號與輸入的音樂信號大小成線性關系，使噴泉的噴高隨音樂信號大小變化。
對于8路以上的多路噴泉控制可以采用擴展音樂噴泉控制器和變頻演示儀功能的方式來滿足要求。DSP作為變頻型音樂噴泉控制系統的控制中心，以后以4路進行擴展，分別為4路、8路、12路、16路……，以此類推。每路控制一臺變頻調速器，將音樂信號轉換成變頻調速器所能接受的4~20mA直流電流信號，來驅動變頻調速器，使噴泉的噴高隨音樂信號的大小而變化。
軟件實現
總統軟件設計
首先初始化McBSP0口和McBSP1口，配置AIC23，然后啟動AIC23的A/D轉換，將由麥克風輸入的模擬音頻信號進行采樣，然后對采樣到的音頻信號進行傅立葉變換，總體流程框圖如圖4所示。離散傅立葉變換(DFT)的公式見公式1，為了進行快速傅立葉變化，采取時間抽取(DIT)基2FFT算法。
圖4 總體流程框圖
對N點音頻信號進行FFT變換，由公式1可知對應到頻域上也是N點，設頻域上對應第k點的頻率為fk，則其計算公式見公式2。其中fs為音頻信號的采樣頻率，f'k為歸一化頻率，f'k的計算公式見公式3。因此由公式2和公式3可以得出頻譜圖上每個采樣點對應的實際頻率值。
音頻數據采集
1、采樣頻率
根據采樣定理，采用頻率至少應該是采樣聲音頻率的2倍。由于人耳所能感受的頻率大約為20Hz~20kHz，所以理論上采用頻率最好取40kHz即可。實際上由于設備的原因，采用頻率一般要高出10%，即44kHz。由于AIC23支持44.1kHz，所以本設計中采樣頻率選用44.1kHz。
2、樣本大小
樣本大小決定了可能錄制聲音的最低幅度和最高幅度的差距，代表了采樣的量化大小。聲音的強度正比于聲音的幅度。與頻率一樣，人耳對聲音強度的感受能力不是成線性關系，而是成對數關系，常用dB(分貝)來表示。dB的定義為：20log(A1/A2)，A1，A2為聲音的兩個幅度。
當采用大小為8位時，那么聲音的最大和最小的幅度比為256，則：20log(256)=48dB，當采用大小為16位時，那么聲音的最大和最小的幅度比為65536，則：20log(65536)=96dB此時最大聲強已經接近于人耳的極限。本設計中樣本大小選用16位。
3、數據采集的實現
程序設計步驟如下：
a)初始化多通道緩沖串口0和1。
對多通道緩沖串口的初始化是通過配置其寄存器來完成的。串口0配置成方式，串口0各寄存器配置如下：串口配置控制寄存器SPCR=0xC30003；接口控制寄存器PCR=0x03；接收控制寄存器RCR=0x0140；發送控制寄存器XCR=0x0140。串口1配置成SPI方式，串口1各寄存器配置如下：串口配置控制寄存器SPCR=0xC51000；接口控制寄存器PCR=0xa0a；接收控制寄存器RCR=0；發送控制寄存器XCR=0x10040。
b)配置TLV320AIC23
AIC23內部有11個16位寄存器，這16位控制字中，B[15—9]為寄存器的地址，B[8—0]為要寫入寄存器的數據。對本設計寫入這11個寄存器的數值如下：左聲道輸入控制=0x17；右聲道輸入控制=0x17；左耳機通道控制=0x7f；右耳機通道控制=0x7f；模擬音頻通道控制=0x1c；數字音頻通道控制=0x1；啟動控制=0；數字音頻格式=0x4f；樣本速率控制=0x3f；數字界面激活=0x01；初始化寄存器=0。
c)啟動轉換，進行A/D轉換，將轉換后的數據存儲在DSP的內部存儲器中，每次采用128點。
實例
圖5為在DSP的軟件環境CCS2.0下仿真輸出的音頻信號頻譜波形，圖6為音頻信號的時域波形。每次采樣數為128，采樣頻率設為44.1kHz，樣本大小為16位。
圖5 音頻信號頻譜圖
圖6 音頻信號時域波形
結束語
本文給出了一種新的音樂噴泉的設計方案，提出了通過噴泉水柱的高低變化來展現音樂信號的頻譜的方法，利用DSP和音頻編解碼芯片在音頻信號處理中的優點，將二者很好地應用于音樂噴泉系統中。詳細地闡述了TMS320C6713與音頻codecAIC23接口的軟件編程與硬件系統設計。這一方案在Code Composer Studio(CCS2.0)環境下運行仿真器進行軟件硬件聯合調試時取得了較好的效果，證實了設計的成功和方案的可用性。本方案不僅可以作為音樂噴泉的前端控制系統設計，如果加上一個LCD顯示和一些控制電路，還可以作為便攜式音頻信號頻譜分析儀的模型。