基于STM32的OLED音乐频谱显示器的设计

       随着STM32生态系统快速建设和直观、高效的STM32CubeMx编程软件不断地推广，STM32所有系列的底层驱动库函数及应用库函数日趋完善、开源其移植性强，强大的技术支持大大缩短了研发人员的程序开发时间，降低开发难度[1]，从而得到高校学生、电子设计类研发人员热捧。
 
       本设计通过STM32CubeMx编程软件快速生成I/O口工作模式、ADC转换、SPI（同步串行通信）、定时器、中断等功能配置及初始化函数，移植DSP库，编写OLED特效显示算法，搭建音频信号采集电路，设计主控板电路，实现多种特效显示的OLED音乐频谱显示器。模块化的硬件电路以及可移植性较强的软件设计，不仅降低高校学生上手难度，还激发了学生在STM32平台进行开发应用的热情、培养学生的综合设计、程序调试能力[2]。
 
    1 系统结构设计
 
       本设计的OLED音乐频谱显示器硬件设计主要以STM32F103C8T6为核心处理器、μA741芯片组建音频信号采集电路、0.96寸OLED屏幕实现特效显示、独立式按键切换显示特效等功能模块组成。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

    2 硬件设计
 
       2.1 STM32F1单片机最小系统设计
 
       本设计使用的主控制芯片为STM32F103C8T6单片机，主要实现AD数模转功能，DMA数据传输功能，定时器定时触发功能，控制OLED屏幕显示功能，读取按键状态功能。本系统采用的STM32F103C8T6微控制器，它是STM32F103系列芯片之一，在CORTEX-M内核的基础上扩张了高性能的外设。在产品开发时还可以应用ST公司专门为芯片设计的开发软件STM32CUBEMX进行产品研发，使得整个产品的研发周期大大的缩短并使整个程序移植性强，方便易懂。系统整体结构如图1所示。
 
       LQFP48封装形式的STM32F103C8T6单片机工作主频最高可达72MHz，内置64k字节Flash和20k字节RAM，包含4个定时器、2个12位的ADC、3个异步通信串行口USART、2个同步通信串行口SPI、2个I2C接口、37个I/O口等[3]。本设计中使用STM32F103C8T6单片机PA0（ADC1_IN0）引脚采集音频信号模块模拟信号，I2C1_SCL（PB6）、I2C1_SDA（PB7）组合的I2C接口与OLED显示器进行通信，PA4、PA5、PA6引脚分别连接3个独立按键。STM32单片机最小系统电路设计如图2所示。

 图2 STM32单片机最小系统电路设计

       2.2音频信号采集模块电路设计
 
       μA741是一款具有短路保护、失调电压调零能力、无闪锁现象的高性能、内补偿运算放大器。采用μA741搭建音频信号采集电路如图3所示，驻极体电容式麦克风M1为外部音频收集器，其收集到的音频信号经过集成运放μA741反相放大50倍（Av=-R₆/R₁₀=-50），提高系统的灵敏度。此电路选用单电源5V进行供电，由于单片机的模数（A/D）转换功能无法
采集负值，则将放大后的音频信号加上VCC/2的直流偏置电压[4-6]。

图3 音频信号采集电路 

       2.3 OLED显示器电路设计
 
       本设计采用市面上最流行也最普通的0.96寸OLED显示屏，无需背光，显示单元能自发光，分辨率为128*64，可视角度大，支持众多的芯片，采用SPI或IIC通讯协议，最多只要4个IO口就能驱动[7-8]。
 
       OLED显示器主要用于显示随音乐律动的柱状频谱特效，显示不同的切换效果，其与STM32F103C8T6单片机通过I2C进行通信，具体电路设计如图4所示。

图4 OLED电路设计

 
       2.4 按键控制模块
 
       按键控制模块电路设计如图5所示，主要用于系统复位、OLED显示特效工作模式切换、特效样式切换功能。

图5 按键控制模块电路设计

    3软件设计
 
        3.1 主程序设计
 
       主程序总体设计思路：系统上电后单片机内部进行复位，接着对系统时钟进行配置，对定时器TIM3、ADC1、ADC_DMA、SPI1等进行初始化，然后程序进入死循环的按键扫描函数。主程序设计流程如图6所示。

图6 主程序设计流程

       3.2 音频信号ADC采样思路及FFT运算程序设计
 
       根据奈奎斯特采样，一般采集样本频率信号应为被采集样本信号其最高频率的2倍。本设计需要采集的是范围为20Hz～20kHz音频样本信号，因此理论上采样频率最高可取40kHz[9]。配置STM32F103C8T6单片机ADC转换输入时钟最高12MHz，采样时间设置1.5周期，则ADC总转换时间=1.5周期+12.5周期=14周期（即14/12MHz=1.167μs），满足40kHz（25μs）采样频率。
 
       对音频模拟信号进行256次采样及转换，需分别对ADC和ADC_DMA进行初始化即可，函数原型如下：
 
       MX_ADC1_Init（）；//ADC初始化
       HAL_ADC_Start_DMA（&hadc1，adc_buf，NPT）；
 
       其中hadc1表示单片机ADC1，adc_buf表示ADC值存放的数组，NPT宏定义为十进制数256。
 
       完成音频模拟信号采样之后，需对256个信号值进行快速傅里叶（FFT）运算，即调用DSP官方库的cr4_fft_256_stm32（）函数，如下所示：
 
       cr4_fft_256_stm32（buff_out_array，buff_in_array，NPT）；
 
       其中buff_out_array数组表示FFT运算后输出数据存放的数组，buff_out_array表示要进行FFT运算的数据存放的数组，NPT定义的值为256。引用该函数之后，在buff_out_array数组中就存储了快速傅里叶（FFT）运算结果的数据，该数组中每个元素的数据格式为：高16位存储数据的虚部，低16位存储数据的实部[10-12]。
 
      得到以上处理的结果数据，则需计算各次谐波的幅值，数组buff_out_array存放各次谐波幅值。具体实现代码如下：

       音频信号采集、FFT运算及OLED显示效果程序设计思路：程序系统每次进入ADC_DMA数据传输中断回滚函数后，即可关闭ADC_DMA数据传输通道，然后将ADC转换的数据进行傅里叶（FFT）运算、计算各次谐波幅值，按照用户设定特效模式将各次谐波赋值代入相应算法进行特效运算，最后OLED显示音乐频谱效果，使能ADC_DMA数据传输通道。程序设计流程如图7所示。

图7 音频信号采集、FFT运算及显示特效程序设计流程

       3.3 OLED显示逻辑及显示算法流程
 
       为实现OLED显示柱状频谱特效需嵌入轻量级GUI（图形用户界面）[13-14]，该GUI具有占用MCU资源少，可剪裁的，高速度等特点[15]，极大方便了非专业用户的使用，用户不需要掌握大量的命令，而是通过调用API函数实现相对应的功能，使用户的开发速度大大提高。OLED音乐频谱柱状显示特效如图8所示。

图8 OLED音乐频谱显示器

       OLED显示特效算法逻辑：进入显示函数里，清除屏幕数据一次，将经FFT运算出的各次谐波幅值数组lBufOutArray取出，并进行屏幕显示限幅换算，即特效显示符合0.96寸的OLED分辨率，将换算结果代入调用GUI的API函数即可得到柱状特效显示操作，最后驱动OLED实时显示音乐频谱特效。柱状显示特效程序代码如下所示：

    4 结束语
 
       文中所设计OLED音乐频谱显示器样机以STM32F103C8T6单片机为控制核心，应用OLED显示器，音频信号采集模块等硬件设备，通过移植DSP官方库进行二次开发，实现了随音频信号变化的音乐频谱[16]显示效果。样机硬件设计方案简单、程序移植性强、成本低廉、开发难度小，可作为STM32单片机学习爱好者入门级作品设计[17]。

       参考文献：
       [1]许鹏程,李小波.MATLAB与STM32CubeMx联合的嵌入式开发方法[J].单片机与嵌入式系统应用,2016,16(10):14-16.
       [2]邓鑫,朱磊,潘杨,等.STM32CubeMX的全速USB通信及测速模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2018,18(9):35-38.
       [3]王梓烨,刘欲哲,周传宝.基于STM32的教学用开发板设计[J].电子世界,2018(1):70,72.
       [4]吴永德，罗萍.基于增强型8051单片机的音乐频谱显示器的设计[J].电子世界，2014(13):156.
       [5]胡玉松.运算放大器的工作原理及应用[J].科技风,2018(15):230.
       [6]张学文,司佑全.差分比例运算电路增益调整与控制分析[J].湖北师范大学学报（自然科学版）,2019,39(2):77-81.
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       [8]陈海峰,陈盛闯.基于单片机的OLED显示系统设计与实现[J].电子设计工程,2015,23(20):137-140.
       [9]侯志伟,包理群.基于STM32的多重ADC采样技术研究与应用[J].工业仪表与自动化装置,2019(3):28-32.
       [10]张益,曹达,钱耶兵,等.采用FFT转换原理的高精度频率测量变送器的设计[J].电子世界,2019(12):138-139.
       [11]徐巧玉,刘锦霞,王军委,等.一种全相位FFT法的高精度相位测量仪设计[J].河南科技大学学报（自然科学版）,2019,40(5):25-30.
       [12]张舰航,张丽彪,戚龙基.基于STM32的信号时域和频域分析仪的设计和实现[J].电子技术与软件工程,2015(9):136.
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       [14]杨洁雨,周泽满,徐海贤.μC/GUI在STM32F103上的移植[J].工业控制计算机，2017,30(3):35-36,39.
       [15]陈皓,吴健学.一种嵌入式GUI的实现方案[J].电子设计工程,2017,25(1):64-66,70.
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       [17]段丽娜.基于ARM的音频频谱显示器的设计[J].自动化技术与应用,2014,33(9):77-79，83.