基于Proteus與CCS仿真的音樂點陣頻譜設計

李勝銘， 顏科宇， 吳振宇

(大連理工大學 創新創業學院, 遼寧 大連 116024)

0 引 言

隨著電子設計自動化(Electronic Design Automation，EDA)技術的發展，計算機仿真軟件不斷改進，為電子系統設計提供極大便利[1-4]。使用仿真軟件，可使電路修改簡便，降低硬件設計周期與成本[5-6]。Proteus是電子電路與單片機協同仿真的流行軟件。音樂點陣頻譜具有趣味性強，觀賞性好等特點。其融合模擬電路、數字電路、單片機控制、信號處理等技術，常見于大學生創新實踐活動中。本文采用Proteus與代碼調試平臺(Code Composer Studio，CCS)進行LED點陣的電路設計與單片機程序調試。通過使用MSP430單片機，實現點陣屏驅動、快速傅里葉(FFT)算法以及動態音樂頻譜顯示[7]。

1 總體設計方案

如圖1所示，系統以MSP430單片機為控制核心，利用數字芯片對點陣屏進行邏輯驅動控制，通過行與列配合實現對點陣上任意LED亮滅。考慮到單片機管腳資源，采用將驅動芯片級聯的方式節約單片機端口。因為音頻信號為交流信號，不能直接進行單片機采樣，因此設計加法器電路，將音頻信號變換到單片機模擬采集量程內。單片機將音頻采樣，通過FFT算法實現音頻信號從時域到頻域變換，然后驅動點陣屏顯示。因視覺暫留效應，快速掃描點陣屏時，人眼看到多個LED同時點亮，實現音樂頻譜。

圖1 系統設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

主控制器選用MSP430F235單片機，內部具有16位CPU、48個I/O管腳、16KB閃存、2KB內存、兩個16位定時器等資源。單片機內置模數轉換器(A/D)模塊，滿足信號采樣的需求，無需額外增加模數轉換芯片。此外充足的存儲空間也足以容納音頻采樣數據和計算變量。

2.2 顯示及驅動電路

2.2.1 行驅動74HC138芯片

74HC138芯片也稱3-8譯碼器，即能將3種輸入狀態翻譯成8種輸出狀態，見表1。其中，E1～E3為使能條件，A0～A2為3位2進制碼輸入數據。當E1、E2

表1 74HC138真值表

為低電平，E3為高電平時，8個輸出端Y0～Y7將輸入數據譯出7個高電平與1個低電平。否則，74HC138將保持所有輸出為高電平。

為節約單片機管腳，采用分時復用方式，通過單片機的4個I/O口控制2片74HC138芯片，實現對點陣屏的16行的控制。如圖2所示。

圖2 74HC138行驅動電路圖

圖2中，2片74HC138芯片的A0～A2端口并聯，U2的E3和U3的E1連接至D端口。D為高電平時U3可輸出低電平，為低電平時U2可輸出低電平。U2、U3輸出端接點陣屏LED管負端，由于二極管單向導通特性，只有74HC138輸出低電平時對應行的LED才點亮。因此對A、B、C、D進行不同邏輯組合，兩芯片只有一個對應輸出端口為低電平，也就是每次輸出都只掃描點陣屏特定一行。程序設計上，對 A、B、C、D賦值使74HC138的輸出端輪流為低電平，實現對點陣每一行的顯示控制。

2.2.2 列驅動74HC595芯片

圖3 74HC595列驅動電路圖

如圖3所示，為控制點陣屏的32列，采用4片74HC595芯片級聯的方式，數據只需從第一個芯片的DS管腳輸入。74HC595芯片OE接地端，使芯片輸出一直有效，MR接電源正端防止數據清零，輸出端接點陣屏LED正端。各芯片SH_CP與ST_CP并聯，接到SCK端和 STR端，SCK在DS送完一位數據后，產生上升沿，使數據移位，以便后一位數據輸入。當對應32列的4個字節數據發送完畢，STR產生上升沿將數據一同輸出，實現對點陣屏每一列的顯示控制。

2.3 音頻采樣電路

如圖4所示，為能完整采集音頻信號，音頻信號處理電路使用741運算放大器設計反向加法器，將音頻信號與正偏置電壓相加后進行放大。此時，音頻信號將偏置到MSP430單片機A/D采樣量程范圍內。考慮實際信號的大小與調整方便，放大信號通過電位器分壓之后再接入單片機采樣管腳[8-9]。

圖4 音頻采樣電路圖

3 算法及程序設計

在電參量測量分析中，任意周期信號可以分解為直流分量和一組不同幅值、頻率、相位的正弦波。系統對音頻信號進行周期性采樣，通過FFT，變換成一組正弦函數的組合[10-11]。正弦函數的幅值和頻率用來描述在信號所占成分的多少。

3.1 FFT算法實現

音頻信號一般是無周期性且隨時間連續變化的信號x(t)，理想情況下，將x(t)做傅里葉變換可得頻域表達式：

(1)

而MSP430單片機只能采集到連續信號x(t)的一系列離散信號值x(nt)。所以需借助離散信號x(nt)分析信號的頻域特點[12-13]。對于有限長離散信號有：

(2)

由WN的周期性以及對稱性，可知x(n)能分解成一個偶數序列x1(n)和一個奇數序列x2(n)，且x1(n)和x2(n)的長度都是N/2。因此可得：

(3)

故x(k)可表示為：

k=0,1,…,N-1

(4)

由于：

(5)

則有：

(6)

又X1(k)和X2(k)均以N/2為周期，且

(7)

所以X(k)又可表示為：

(8)

(9)

式(8)和(9)稱為蝶形運算;WN為旋轉因子。經過時域抽取存入倒序數組中，如果兩個輸入相距b個點，用數組中的位置進行計算，蝶形運算可表示為

(10)

(11)

根據歐拉公式：

(14)

可再進一步轉化：

(15)

為了表達簡便，令：

(16)

得：

(17)

(18)

考慮到單片機不適合進行浮點運算，為保證計算速率，編程時提前將需用到的正、余弦函數值存入數組。采用查表法免去正、余弦計算，同時進行適當取舍取為整數，避免進行浮點運算。

此外，由蝶形運算的形式可知，若無倒序數組的整理，結果將會亂序。因此使用雷德算法解決此問題。雷德算法可給出自然順序排列的二進制數，其下面一個數總比上面的數大1，而倒序二進制數的下面一個數是上面一個數在最高位加1并由高位向低位進位而得到[14]。其規律實則為鏡像顛倒，即將序號的十進制轉化為二進制數，然后把二進制最低位當作最高位，最高位當作最低位再轉化為十進制。因此系統程序中，按時間抽取法采64個點，按此規律列編寫一個包含64個元素的采樣存儲序列表的數組，從而保證數據為所需順序。

3.2 程序設計

MSP430單片機編程使用CCS集成開發平臺。系統程序主要分為采樣、FFT算法、點陣屏顯示3大部分。單片機A/D采樣設置為單通道連續采樣模式，每次采樣64個點之后結束，進入FFT運算。根據前文對FFT算法分析，單片機在計算時采用基數2時間抽取算法[15-16]。其工作流程如圖5所示。

點陣屏掃描顯示時，FFT計算結果存入LED[32]數組中。數組各元素表示不同頻率，元素值表示各頻率的相對高低。行掃描不斷循環，每掃一行就判斷LED[i]元素與所掃行的大小，如果元素值大則點亮點陣中LED，反之不亮。完成一次掃描后，元素值減小，形成音頻柱降落效果。

4 系統仿真聯調

本設計采用Proteus軟件和CCS軟件對點陣屏系統電路以及FFT算法進行設計、調試、驗證、仿真。首先在Proteus軟件中設計系統各功能電路，然后通過CCS軟件編寫測試代碼，修改生成單片機.hex執行文件。Proteus軟件裝載執行文件，運行觀察效果。為滿足視覺暫留效應，在Proteus軟件中提前設置好仿真速度，將幀數減少并增加時間步長。信號采用音頻激勵源，格式為.WAV，如圖6所示。

圖5 基數2時間抽取算法流程圖

激勵源設置好振幅和通道模式。系統運行，開始仿真。如圖7所示，點陣屏上音頻柱隨音樂不斷起伏。

圖6 音頻導入

圖7 系統仿真效果圖

在Proteus與CCS的聯合仿真下，直接驗證了電路硬件與軟件算法方案的正確性。在仿真基礎上，制作的實物如圖8所示。

圖8 基于MSP430的音樂點陣頻譜實物

5 結 語

本文設計了基于Proteus仿真軟件與CCS集成開發平臺下的音樂點陣頻譜設計。通過實踐驗證，可實現點陣屏的電路硬件設計、MSP430單片機的點陣屏驅動、音樂信號采集、音樂頻譜顯示等功能。此外系統還具有較大的擴展性：在此設計思路基礎上，可進行更多點陣顯示屏的設計與應用，同時也為Proteus與CCS的聯合仿真提供參考。