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用8051做的16x16音乐频谱显示，内有问题请指教TvT

2019-07-18 10:27发布

站内问答 / proteus
5002 2 1182
原理图如下：
无标题.png

代码分为两部分，一个C51一个汇编的~



  1. #include "REG51.H"
  2. #include "intrins.h"

  4. //--------------------常量定义-------------------------

  6. //ORDER是FFT所需要进行的阶段数目
  7. //N16 = 2^ORDER，这两个量是相互对应的
  8. #define ORDER 4
  9. #define N16 16  

  11. //为了以整型变量实现小数计算，将小数乘上（2^SCALE），算好后再除回去
  12. #define SCALE 4

  14. //输入衰减
  15. #define IN_SCALE_DOWN 2

  17. //峰值点（帽子）停留的时间
  18. #define HAT_STAY_tiME 4

  20. //计时器T1的初值，以控制采样率
  21. #define SAMP_TIMER 0xfE//FE
  22. //0xCE   50us, i.e. sample rate = 20000 HZ
  23. //0x9C  100us, i.e. sample rate = 10000 HZ
  24. //0x38  200us, i.e. sample rate =  5000 HZ
  25. //就算时钟设得很短，采样率也只能达到 6000Hz. one 750Hz sound wave can be put in 8 sample points. 750x8=6000

  27. //AD模块需要的控制端定义
  28. sbit AD_OUT = P1^5;
  29. sbit AD_CLK = P1^7;
  30. sbit AD_CS  = P1^6;
  31. //切换示波器与频谱显示的开关, 接在8位逻辑电平输出中的其中一个
  32. sbit SWITCH1= P3^3;

  34. //声明复数结构类型
  35. typedef struct
  36. {
  37.         char real;
  38.         char imag;
  39. }complex_t;

  41. //声明双字节的复数结构类型，用于中间运算过程
  42. typedef struct
  43. {
  44.         int real;
  45.         int imag;
  46. }complex_long_t;


  49. //--------------------查表-------------------------

  51. //FFT需要将数据下标按位倒序重排，此表列出了旧下标与新下标的对应关系
  52. char code reverse_table_16[16]={0,8,4,12,2,10,6,14,1,9,5,13,3,11,7,15};

  54. //复旋转因子表，依赖于SCALE==4，并且由下面两个式子给出
  55. //twiddle_table[i].real=(char)(  cos(2*PI*i/N16)  * (1<<SCALE)  );
  56. //twiddle_table[i].imag=(char)(  sin(2*PI*i/N16)  * (1<<SCALE)  );
  57. complex_t code twiddle_table[N16/2]={
  58.         16,0, 14,6, 11,11, 6,14, 0,16, -6,14, -11,11, -14,6,
  59. };

  61. //FFT向DCT转化所需要的系数，16个计算结果分别乘上这些系数。它们由下面式子给出
  62. //ww = exp(-1i*(0:n-1) * pi/(2*n))  /  sqrt(2*n)   , n=16
  63. //ww(0) = ww(0) / sqrt(2);
  64. complex_t code dct_coefficient[N16]={
  65.         4,0, 6,-1, 6,-1, 5,-2, 5,-2, 5,-3, 5,-3, 4,-4, 4,-4, 4,-4, 3,-5, 3,-5, 2,-5, 2,-5, 1,-6, 1,-6       
  66. };

  68. //--------------------全局变量-------------------------
  69. //峰值点所处位置
  70. unsigned char xdata hatpos [N16];
  71. //峰值点停留时间（倒计时）
  72. unsigned char xdata hattime[N16] _at_ 0x0040;
  73. //峰值点的值
  74. unsigned char xdata hat    [N16] _at_ 0x0030;

  76. //采样得到的原始数据
  77. char xdata src[N16] _at_ 0x0020;

  79.                                 //计算得到的频谱数据
  80.                                 char xdata am0[N16] _at_ 0x0010;

  82. //显示模块的数据暂存
  83. char data        am [N16] _at_ 0x5F;

  85.                                 //显示模块的“行状态”标记
  86.                                 char data lstate;

  88. //零频补偿，将输入信号用软件的方法调整到平均值为零，因为硬件电路调整偏置到0以后，会有一定的漂移
  89. unsigned char data in_offset=0x07A;


  92. //--------------------函数-------------------------

  94. //汇编函数：显示中断服务子程序。由计时器T0控制，每次计满则调用一次
  95. extern void display_int(void);

  97. //实现两个复数的乘法。输入为单字节复数，输出为双字节复数
  98. complex_long_t fft_mult(complex_t a,complex_t b){
  99.         complex_long_t c;
  100.         c.real=(int)a.real * b.real - (int)a.imag * b.imag;
  101.         c.imag=(int)a.real * b.imag + (int)a.imag * b.real;
  102.         return c;
  103. }
  104. //实现两个复数的加法。并且假定b已经乘上了(2^SCALE)，而a没有乘
  105. complex_t fft_add(complex_t a,complex_long_t b){
  106.         complex_t c;
  107.         c.real  = (char)((((int)a.real << SCALE) + b.real) >> SCALE);
  108.         c.imag  = (char)((((int)a.imag << SCALE) + b.imag) >> SCALE);
  109.         return c;
  110. }
  111. //原理同“复数的加法”
  112. complex_t fft_sub(complex_t a,complex_long_t b){
  113.         complex_t c;
  114.         c.real = (char)((((int)a.real << SCALE) - b.real) >> SCALE);
  115.         c.imag = (char)((((int)a.imag << SCALE) - b.imag) >> SCALE);
  116.         return c;
  117. }

  119. //中断初始化
  120. void ini_interrupt(){
  121.         lstate=0x80; //显示屏“行状态”的初始化  
  122.         EA=1;
  123.         IP=0;//
  124.         TMOD=0;
  125.         TCON=0;
  126.        
  127.         //INT0        Power off
  128.         EX0=1;
  129.         IT0=0;////////////////////低电平触发
  130.        
  131.         //Timer0        Display
  132.         ET0=1;
  133.         TMOD |= 0x01;    //M1 M0 = 0 1
  134.         TH0=0x00;
  135.         TL0=0x00;
  136.        
  137.         //Timer1       
  138.         ET1=0; //查寻法
  139.         TMOD |= 0x20;        //M1 M0 = 1 0
  140.         TH1=SAMP_TIMER;   
  141.         TL1=SAMP_TIMER;

  143.         TCON=0x050;        //TR0 TR1
  144. }



  148. //单个数据点的采集/////////////////////采到的是单数据点8位数据
  149. char AD_convert(void)
  150. {
  151.         char i= 0;
  152.         char temp=0;
  153.         for(i=0;i<8;i++)
  154.         {
  155.                 AD_CLK=1;        //AD_CLK=1;       
  156.                 AD_CLK=0;        //AD_CLK=0;
  157.                 temp<<=1;
  158.                 temp|=AD_OUT;
  159.         }
  160.        
  161.         AD_CS=1;        //AD_CS=1;
  162.         return temp;
  163. }




  168. //16个数据点的采集/////////////////////////////////////////////VOID函数，数据放进SRC
  169. void sample16()
  170. {
  171.         char n,k;
  172.         char sum=0
  173.        
  174.         TF1=0;       
  175.         lstate=0x080;//if runs to here, means there's a new set of am0[] to be display.
  176.         TR0=0
  177.         for (n=-1;n<N16;n++
  178.         {
  179.                 while (TF1==0);
  180.                 TR1=0;
  181.                 TF1=0;
  182.                 k=(  AD_convert()-in_offset  );
  183.                 TR1=1;
  184.                 k>>=IN_SCALE_DOWN;  
  185.                 sum+=k;
  186.                 if (k>7)
  187.                         k=7;
  188.                 else if(k<-7)
  189.                         k=-7;
  190.        
  191.                 if(n>=0)
  192.                 {
  193.                         src[n]=k;
  194.                 }
  195.         }
  196.         if (sum>5)
  197.         {
  198.                 in_offset++;
  199.         }
  200.         else if (sum<-5)
  201.         {
  202.                 in_offset--;
  203.         }
  204.         P0=~in_offset;
  205.         TR0=1;
  206. }


  209. //主程序
  210. void main(void)
  211. {
  212.         //局部变量的含义将在调用时说明
  213.         char n, k, m;
  214.         char k2;
  215.         char twiddle;
  216.         char twiddle_jump;
  217.         char twiddle_max;
  218.         char n_jump;
  219.         char n_start;
  220.         complex_long_t tmp_product;
  221.         complex_t twiddle_factor;
  222.         complex_t dest[N16];
  223.         char finaltmp;
  224.        
  225.         ini_interrupt();





  231. //主循环
  232.         while(1)
  233.         {

  235.                         sample16();

  237.                         for(n=0; n < N16; n++)
  238.                         {
  239.                                
  240.                                 //同时进行两项“重新排序”，
  241.                                 //src方括号内的式子实现奇偶分离，
  242.                                 //dest方括号内的式子实现FFT的下标按位倒序
  243.                                 if (n<(N16/2))
  244.                                 {
  245.                                         dest[reverse_table_16[n]].real = src[n*2];
  246.                                 }
  247.                                 else
  248.                                 {
  249.                                         dest[reverse_table_16[n]].real = src[(2*N16-1)-2*n];
  250.                                 }
  251.                                 dest[reverse_table_16[n]].imag = 0;
  252.                         }

  254.                         for(k=0; k < ORDER; k++)
  255.                         {
  256.                                 n = 0;
  257.                                 k2 = (1<<k);

  259.                                 //计算旋转因子的单次旋转量，和最大旋转量
  260.                                 twiddle_max = (1<<( ORDER - 1));
  261.                                 twiddle_jump = (1<<( ORDER - k - 1)); //equals 2^(kmax - k)

  263.                                 //蝴蝶翅膀的翼展
  264.                                 n_jump = k2<<1;
  265.                                 n_start = 0;

  267.                                 for(twiddle = 0; twiddle < twiddle_max; twiddle += twiddle_jump)
  268.                                 {

  270.                                         //旋转因子，由对称性，只取 < N/2
  271.                                         twiddle_factor.real = twiddle_table[twiddle].real;
  272.                                         twiddle_factor.imag = -twiddle_table[twiddle].imag;

  274.                                         for(n=n_start; n < N16; n+= n_jump)
  275.                                         {
  276.                                                 m = n+k2;
  277.                                                 //单次蝶形运算
  278.                                                 tmp_product = fft_mult(dest[m], twiddle_factor);  

  280.                                                 dest[m] = fft_sub(dest[n], tmp_product);
  281.                                                 dest[n] = fft_add(dest[n], tmp_product);
  282.                                         }
  283.                                         n_start++;
  284.                                 }
  285.                         }
  286.                        
  287. ////////////////////////////////////////////进行计算结果的处理//////////////////////////////////////////////////////////////////////
  288.                         n=0;
  289.                         for (k=0;k<N16;k++)
  290.                         {
  291.                                
  292.                                 //调整系数
  293.                                 finaltmp = ( dest[k].real * dct_coefficient[k].real  -  dest[k].imag * dct_coefficient[k].imag ) >> SCALE;

  295.                                 //取绝对值
  296.                                 if (finaltmp<0)
  297.                                 {
  298.                                         finaltmp = -finaltmp;
  299.                                 }
  300.                                 if (finaltmp>8)
  301.                                 {
  302.                                         finaltmp=8;
  303.                                 }
  304.                                 if(finaltmp>0)
  305.                                 {
  306.                                         am0[k]=finaltmp;
  307.                                 else
  308.                                 {
  309.                                         am0[k]=0;
  310.                                 }
  311.                           }
  312.        
  313.         }
  314.        
  315. return;

  317. }
复制代码
  1. ;计时器0初值
  2. TH_INI EQU 0xFC;f4
  3. TL_INI EQU 0x06;06

  5. ;连线: P1.0、P1.1、P1.2分别与LED双 {MOD}点阵显示模块的SCLK 、RCLK、DIN相连
  6. LED_CLK                BIT        P1.3;
  7. LED_CLK2        BIT        P1.4
  8. LED_RCLK        BIT        P1.2;
  9. LED_DIN                BIT        P1.0;
  10. LED_DIN2        BIT        P1.1

  12. EXTRN        DATA (lstate)
  13. EXTRN        DATA (am)
  14. EXTRN        XDATA (am0)
  15. ;EXTRN        XDATA (hatpos)


  18. ;显示中断服务子程序
  19. CSEG        AT        0BH                                                ;连接器必须把函数入口放在0BH处
  20.         LJMP        _display_int

  22. ?PR?_display_int?MAIN SEGMENT CODE         ;在程序存储区中定义段

  24. PUBLIC _display_int                                        ;声明全局函数

  26. RSEG  ?PR?_display_int?MAIN                        ;函数可被连接器放在任何地方。
  27.        
  28. USING        2












  41. _display_int:
  42.         PUSH         ACC
  43.         PUSH         DPH
  44.         PUSH         DPL
  45.         PUSH         PSW
  46.         USING        2
  47.         MOV          PSW,#10H

  49.         CLR        P2.0
  50.         SETB        P2.0

  52.         MOV          TH0,#TH_INI
  53.         MOV          TL0,#TL_INI
  54.         ;CLR                TF0

  56.         ;刷新显示;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;左移一位，向上选通一行;;;;;;;;;;;;;;;;循环的
  57.         MOV                A,lstate
  58.         RL                A
  59.         MOV                lstate,A
  60.         CJNE                A,#1,skip_copy;;;;;;;;;不相等则跳转
  61.     ;复制数据//////////////////////////////////////////////////////////////////////////am0复制到am中
  62.         MOV                DPTR,#am0
  63.         MOV                R1,#((am)+15)
  64.         MOV                R7,#16;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R7=16
  65.         copy_loop:
  66.                 MOVX        A,@DPTR;
  67.                 MOV        @R1,A;
  68.                 INC        DPTR
  69.                 DEC        R1
  70.                 DJNZ        R7,copy_loop;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R7用于计数



  74.         ;选中需要输出的行
  75.         MOV                A,lstate
  76.         MOV                R7,#8    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R7=8

  78.         line_out1:

  80.                 CLR                LED_CLK       
  81.                 RRC                A
  82.                 MOV                LED_DIN,C
  83.                 CLR                C
  84.                 NOP
  85.                 NOP;;;                       
  86.                 SETB                LED_CLK
  87.                 NOP;;;
  88.                 NOP
  89.                 DJNZ                R7,line_out1;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R7计数
  90.        
  91. ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;行信息录入完毕;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

  93.         MOV                R0,#LOW (am)
  94.         mov                r1,#low(am)
  95.         MOV                R7,#2;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R7=2
  96.         disp_loop7:       
  97.                
  98.                 ;绿 {MOD}，用于显示频谱的瞬时值
  99.                 MOV        R5,#8;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R5=8
  100.                 disp_loop5:
  101.                                 CJNE        @R0,#0,a_not_0
  102.                                 SETB        LED_DIN2;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;LED_DIN2
  103.                                 NOP
  104.                                 NOP
  105.                                 CLR        LED_CLK2
  106.                                 NOP
  107.                                 NOP
  108.                                 SETB        LED_CLK2
  109.                         SJMP        end_a_not_0
  110.                         a_not_0:
  111.                                 CLR                LED_DIN2
  112.                                 NOP
  113.                                 NOP
  114.                                 CLR                LED_CLK2
  115.                                 NOP
  116.                                 NOP
  117.                                 SETB                LED_CLK2
  118.                                 NOP
  119.                                 DEC                @R0
  120.                         end_a_not_0:
  121.                         INC         R0
  122.                 DJNZ        R5,disp_loop5;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R5计数
  123.                
  124.         DJNZ        R7,disp_loop7;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;R7计数
  125.         SETB        LED_RCLK      
  126.         NOP
  127.         CLR        LED_RCLK
  128.        
  129.            POP          PSW
  130.         POP          DPL
  131.         POP          DPH
  132.         POP          ACC
  133. RETI


  136. END
复制代码




因为基于别人的程序修改的，我感觉都看明白了。但是实际仿真时发现，输入一个正弦波，16x16LED屏依旧在跳动，而不是某一频率上强度以稳定高度显示。
我想，采集16个数据进行FFT，在16个频段上显示这件事靠谱嘛？鉴于感觉很多例子都是这么做出来的，我想一定是程序里有问题，但是到底是哪里有问题呢TwT


请教各位大大了！
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2条回答
xyzzy
2019-07-18 20:26
武力戡乱 发表于 2014-6-19 09:55
我新手，但也是单片机爱好者。上来，in_offset  变量的作用就不理解，以至于不能理解 k=(  AD_convert()-in ...

这个是原本的程序里就是这么设计的
in_offset是零频补偿，将输入信号用软件的方法调整到平均值为零，因为硬件电路调整偏置到0以后，会有一定的漂移


我就理解为一种大小的调节啦，毕竟16x16显示的范围有限。

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