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音樂(lè )噴泉是現代科技與藝術(shù)的綜合，利用噴泉來(lái)表現音樂(lè )的美，令人賞心悅目。目前許多單位均推出了自己的音樂(lè )噴泉，取得了良好的效果。但縱觀(guān)這些音控產(chǎn)品，有的利用音樂(lè )的時(shí)域變化來(lái)控制噴泉，有的將音樂(lè )分成幾個(gè)頻段來(lái)控制噴泉的花型，且多采用低頻、中頻和高頻三個(gè)頻段來(lái)控制。缺點(diǎn)是都沒(méi)有在頻域上很好地展現音樂(lè )，因此不能很好地體現音樂(lè )的內涵。本設計針對這些問(wèn)題，提出了一種新的方法來(lái)控制噴泉的變化，通過(guò)噴泉水柱的噴射高低來(lái)實(shí)時(shí)地展現音樂(lè )的頻譜。 總體設計 首先對音頻信號進(jìn)行放大、濾波、采樣和A/D轉換等預處理，經(jīng)過(guò)DSP對音頻信號進(jìn)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(guò)變頻控制系統就可以將頻譜圖用噴泉的水柱表現出來(lái)，水柱的高低按線(xiàn)性比例反映音頻信號的幅度。設每次對音頻信號的采樣個(gè)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(jiǎn)稱(chēng)AIC23)是一個(gè)高性能的多媒體數字語(yǔ)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(gè)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A(yíng)DC采集達到96kHz時(shí)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(shí)噪音為100-dBA，能夠高品質(zhì)的數字回放音頻。 TMS320C6713是TI公司生產(chǎn)的一種高速數字信號處理器(DSP)，他采用先進(jìn)的超長(cháng)指令字(VLIW)結構，每時(shí)鐘周期可以執行8條32b指令，最高時(shí)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(gè)多通道緩沖串口(McBSP)，可以方便地利用這兩個(gè)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(gè)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(fā)送端口，McBSP1作為控制端口，對AIC23寫(xiě)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(jīng)DSP處理后的音樂(lè )信號自動(dòng)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(lè )信號大小成線(xiàn)性關(guān)系，使噴泉的噴高隨音樂(lè )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(lè )噴泉控制器和變頻演示儀功能的方式來(lái)滿(mǎn)足要求。DSP作為變頻型音樂(lè )噴泉控制系統的控制中心，以后以4路進(jìn)行擴展，分別為4路、8路、12路、16路……，以此類(lèi)推。每路控制一臺變頻調速器，將音樂(lè )信號轉換成變頻調速器所能接受的4"20mA直流電流信號，來(lái)驅動(dòng)變頻調速器，使噴泉的噴高隨音樂(lè )信號的大小而變化。 軟件實(shí)現 總統軟件設計 首先初始化McBSP0口和McBSP1口，配置AIC23，然后啟動(dòng)AIC23的A/D轉換，將由麥克風(fēng)輸入的模擬音頻信號進(jìn)行采樣，然后對采樣到的音頻信號進(jìn)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(jiàn)公式1，為了進(jìn)行快速傅立葉變化，采取時(shí)間抽取(DIT)基2FFT算法。 圖4 總體流程框圖 對N點(diǎn)音頻信號進(jìn)行FFT變換，由公式1可知對應到頻域上也是N點(diǎn)，設頻域上對應第k點(diǎn)的頻率為fk，則其計算公式見(jiàn)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(jiàn)公式3。因此由公式2和公式3可以得出頻譜圖上每個(gè)采樣點(diǎn)對應的實(shí)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(shí)際上由于設備的原因，采用頻率一般要高出10%，即44kHz。由于A(yíng)IC23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(xiàn)性關(guān)系，而是成對數關(guān)系，常用dB(分貝)來(lái)表示。dB的定義為：20log(A1/A2)，A1，A2為聲音的兩個(gè)幅度。 當采用大小為8位時(shí)，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(shí)，那么聲音的最大和最小的幅度比為65536，則：20log(65536)=96dB此時(shí)最大聲強已經(jīng)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(shí)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(guò)配置其寄存器來(lái)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(fā)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(fā)送控制寄存器XCR=0x10040。 b)配置TLV320AIC23 AIC23內部有11個(gè)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(xiě)入寄存器的數據。對本設計寫(xiě)入這11個(gè)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(dòng)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(dòng)轉換，進(jìn)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(diǎn)。 實(shí)例 圖5為在DSP的軟件環(huán)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(shí)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(shí)域波形 結束語(yǔ) 本文給出了一種新的音樂(lè )噴泉的設計方案，提出了通過(guò)噴泉水柱的高低變化來(lái)展現音樂(lè )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(yōu)點(diǎn)，將二者很好地應用于音樂(lè )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(huán)境下運行仿真器進(jìn)行軟件硬件聯(lián)合調試時(shí)取得了較好的效果，證實(shí)了設計的成功和方案的可用性。本方案不僅可以作為音樂(lè )噴泉的前端控制系統設計，如果加上一個(gè)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。 |
