32-полосный анализатор-визуализатор спектра звуковых частот на Arduino: схема и программа

В этой статье мы рассмотрим создание 32-полосного анализатора-визуализатора спектра звуковых частот на основе платы Arduino. Надеемся, что этот проект вызовет интерес у аудио энтузиастов и любителей электроники, увлекающихся программированием Arduino. Компоненты, используемые в данном проекте, сравнительно дешево стоят, поэтому собрать его будет достаточно просто.

Основные особенности данного анализатора спектра:

использует легко устанавливаемые библиотеки “arduinoFFT” и “MD_MAX72xx”;
пять различных режимов отображения, переключаемых кнопкой;
смешивание правого и левого каналов аудио сигнала, поэтому вы не пропустите ни один звук;
использование 32х8 матричного дисплея из светодиодов, вы можете изменить это по своему желанию;
аудио сигнал можно подать с выхода наушников или с выхода Line-out звуковой системы или усилителя.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Nano (купить на AliExpress) или Uno (купить на AliExpress).
Светодиодный матричный дисплей 32х8.
Кнопочный переключатель.
Конденсатор 100 нФ (2 шт.) (купить на AliExpress).
Резисторы 5 кОм (3 шт.), 10 кОм (1 шт.), 100 кОм (2 шт.) (купить на AliExpress).
Источник питания с напряжением 5 В (можно по кабелю USB от компьютера).

Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158

Значения сопротивлений резисторов не являются "строгими", вы можете варьировать их в небольших пределах по своему желанию. Но значения сопротивлений R1 и R2 (см. схему ниже) должны быть одинаковыми.

Общие принципы работы проекта

Плата Arduino сконструирована на основе микроконтроллера ATmega328P и имеет встроенные аналогово-цифровые преобразователи (в англ. аббревиатуре ADC - Analog To Digital converter), которые в нашем проекте используются для преобразования поступающего аналогового аудио сигнала в цифровую форму. АЦП Arduino производит дискретизацию поступающего входного сигнала с частотой дискретизации 38,46 кГц. Это достигается при помощи установки коэффициента деления предделителя (prescaler) АЦП равным 32. Если частота дискретизации равна 38,46 кГц, то согласно теореме Котельникова это значит что максимальная частота входного аналогового сигнала, который может быть преобразован без потерь в цифровую форму, равна 19,32 кГц – этого вполне достаточно для большинства аудио сигналов.

Главная цель проекта – показать спектр музыкального аудио сигнала. Для этого левый и правый каналы аудио сигнала смешиваются вместе и подаются на аналоговый контакт A0 платы Arduino. При необходимости вы можете использовать сплиттер чтобы подавать аудио сигнал одновременно и на анализатор спектра, и в другое какое-нибудь устройство, например, усилитель.

АЦП в данном проекте конфигурируются на использование внешнего опорного напряжения (reference voltage). В этом проекте в качестве опорного напряжения для АЦП используется стабилизированное напряжение 3.3v с платы Arduino. Поскольку аналоговый сигнал колеблется как выше, так и ниже нуля, мы должны использовать положительное напряжение смещения на входе АЦП – это необходимо для того чтобы АЦП не обрезал отрицательные циклы сигнала. То же самое стабилизированное напряжение разделяется с помощью двух резисторов R1 и R2 и затем подается на вход АЦП для формирования положительного напряжения смещения. С таким напряжением смещения на выходе АЦП будет значение 512 при отсутствии аудио сигнала на входе. В дальнейшем в коде программы это значение 512 вычитается чтобы получить реальные изменения входного сигнала.

"Сердцем" кода программы является библиотека ArduinoFFT – именно она выполняет быстрое преобразование Фурье (БПФ) и вычисляет спектр входного сигнала. Опытный образец данного проекта был сконфигурирован для формирования 64 отсчетов (сэмплов, samples) и выполнения быстрого преобразования Фурье над этими отсчетами. Библиотека ArduinoFFT может выполнять БПФ над числом отсчетов от 16 до 128 – это можно сконфигурировать в программе. Но для 128 отсчетов БПФ выполняется достаточно медленно, поэтому в нашем проекте мы решили ограничиться 128 отсчетами.

В качестве средства отображения спектра в нашем проекте используется светодиодная матрица 32 столбца х 8 строк. Управлять подобной матрицей сравнительно просто с помощью библиотеки MD_MAX72xx, которую мы будем использовать в нашем проекте. С помощью этой библиотеки можно включить/выключить любое число светодиодов в столбце, который в данный момент времени используется в программе. Амплитуда каждого частотного канала (полосы) конвертируется в диапазон от 0 до 8 и в зависимости от этой амплитуды зажигается необходимое количество светодиодов в столбце, то есть чем больше амплитуда, тем больше светодиодов в столбце будут гореть.

В проекте доступны 5 режимов дисплея, которые заключаются в различных вариантах включения светодиодов в столбцах. Каждый из этих режимов вы при необходимости можете перепрограммировать самостоятельно. Для переключения режимов используется кнопка. С каждым нажатием кнопки происходит переход к следующему режиму, при нажатии кнопки на 5-м режиме снова происходит переход к 1-му режиму. Эта кнопка подключена к цифровому контакту платы Arduino и после каждого обновления экрана дисплея производится проверка ее нажатия.

Частотная характеристика

Частотная характеристика проектируемого анализатора спектра была проверена с помощью подачи на вход анализатора синусоидального колебания, сформированной генератором сигналов на одном из веб-сайтов. Было установлено, что частотная характеристика анализатора достигает частоты 18,6 кГц.

Дополнительные детали

Чтобы узнать более полную информацию о данном проекте, необходимо посетить страницу автора этого проекта на сервисе github - https://github.com/shajeebtm/Arduino-audio-spectrum-visualizer-analyzer/.

Подача входного сигнала на анализатор спектра

Существует несколько способов подачи аудио сигнала на рассматриваемый нами анализатор спектра. Первый способ – взять аудио сигнал с выхода LINE out вашей музыкальной системы/усилителя. Второй способ – взять аудио сигнал с выхода наушников или мобильного телефона.

На следующем рисунке показан пример соединения выхода LINE out усилителя/музыкальной системы с анализатором спектра.

Далее на рисунке показан пример соединения выхода наушников/мобильной системы с анализатором спектра. Когда вы соедините кабель к выходу наушников вы уже не сможете услышать звук с них, поэтому в этом случае, если вы хотите и анализировать спектр сигнала, и слышать сам звук, вам необходимо будет использовать специальный разделитель.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

Исходный код программы (скетча)

/*
Copyright (c) 2019 Shajeeb TM

Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
in the Software without restriction, including without limitation the rights
to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
furnished to do so, subject to the following conditions:
The above copyright notice and this permission notice shall be included in all
copies or substantial portions of the Software.
THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
SOFTWARE.
*/

#include <arduinoFFT.h>
#include <MD_MAX72xx.h>
#include <SPI.h>

#define SAMPLES 64            //Must be a power of 2
#define HARDWARE_TYPE MD_MAX72XX::FC16_HW   // Set display type  so that  MD_MAX72xx library treets it properly
#define MAX_DEVICES  4   // Total number display modules
#define CLK_PIN   13  // Clock pin to communicate with display
#define DATA_PIN  11  // Data pin to communicate with display
#define CS_PIN    10  // Control pin to communicate with display
#define  xres 32      // Total number of  columns in the display, must be <= SAMPLES/2
#define  yres 8       // Total number of  rows in the display


int MY_ARRAY[]={0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255}; // default = standard pattern
int MY_MODE_1[]={0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255}; // standard pattern
int MY_MODE_2[]={0, 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1}; // only peak pattern
int MY_MODE_3[]={0, 128, 192, 160, 144, 136, 132, 130, 129}; // only peak +  bottom point
int MY_MODE_4[]={0, 128, 192, 160, 208, 232, 244, 250, 253}; // one gap in the top , 3rd light onwards
int MY_MODE_5[]={0, 1, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255}; // standard pattern, mirrored vertically

 
double vReal[SAMPLES];
double vImag[SAMPLES];
char data_avgs[xres];

int yvalue;
int displaycolumn , displayvalue;
int peaks[xres];
const int buttonPin = 5;    // к этому контакту подключена кнопка
int state = HIGH;             // the current reading from the input pin
int previousState = LOW;   // the previous reading from the input pin
int displaymode = 1;
unsigned long lastDebounceTime = 0;  // the last time the output pin was toggled
unsigned long debounceDelay = 50;    // the debounce time; increase if the output flickers


MD_MAX72XX mx = MD_MAX72XX(HARDWARE_TYPE, CS_PIN, MAX_DEVICES);   // display object
arduinoFFT FFT = arduinoFFT();                                    // FFT object
 


void setup() {
    
    ADCSRA = 0b11100101;      // устанавливаем АЦП в режим непрерывного преобразования и коэффициент деления предделителя в 32 (0xe5)
    ADMUX = 0b00000000;       // используем контакт A0 и внешнее опопрное напряжение
    pinMode(buttonPin, INPUT);
    mx.begin();           // инициализируем дисплей
    delay(50);            // ждем пока опорное напряжение стабилизируется
}
 
void loop() {
   // ++ Sampling
   for(int i=0; i<SAMPLES; i++)
    {
      while(!(ADCSRA & 0x10));        // ждем пока АЦП полностью завершит преобразование
      ADCSRA = 0b11110101 ;               // очищаем бит ADIF чтобы АЦП смог приступить к следующему преобразованию (0xf5)
      int value = ADC - 512 ;                 // считывваем информацию из АЦП и вычитаем постоянный сдвиг (512)
      vReal[i]= value/8;                      // Copy to bins after compressing
      vImag[i] = 0;                         
    }
    // -- Sampling

 
    // ++ FFT
    FFT.Windowing(vReal, SAMPLES, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);
    FFT.Compute(vReal, vImag, SAMPLES, FFT_FORWARD);
    FFT.ComplexToMagnitude(vReal, vImag, SAMPLES);
    // -- FFT

    
    // ++ re-arrange FFT result to match with no. of columns on display ( xres )
    int step = (SAMPLES/2)/xres; 
    int c=0;
    for(int i=0; i<(SAMPLES/2); i+=step)  
    {
      data_avgs[c] = 0;
      for (int k=0 ; k< step ; k++) {
          data_avgs[c] = data_avgs[c] + vReal[i+k];
      }
      data_avgs[c] = data_avgs[c]/step; 
      c++;
    }
    // -- re-arrange FFT result to match with no. of columns on display ( xres )

    
    // ++ send to display according measured value 
    for(int i=0; i<xres; i++)
    {
      data_avgs[i] = constrain(data_avgs[i],0,80);            // set max & min values for buckets
      data_avgs[i] = map(data_avgs[i], 0, 80, 0, yres);        // remap averaged values to yres
      yvalue=data_avgs[i];

      peaks[i] = peaks[i]-1;    // decay by one light
      if (yvalue > peaks[i]) 
          peaks[i] = yvalue ;
      yvalue = peaks[i];    
      displayvalue=MY_ARRAY[yvalue];
      displaycolumn=31-i;
      mx.setColumn(displaycolumn, displayvalue);              // for left to right
     }
     // -- send to display according measured value 
     
    displayModeChange ();         // проверяем нажата ли кнопка изменения режима отображения дисплея
} 

void displayModeChange() {
  int reading = digitalRead(buttonPin);
  if (reading == HIGH && previousState == LOW && millis() - lastDebounceTime > debounceDelay) // works only when pressed
  
  {

   switch (displaymode) {
    case 1:    //       переключаемся из режима 1 в режим 2
      displaymode = 2;
      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {
        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_2[i];
      }
      break;
    case 2:    //       переключаемся из режима 2 в режим 3
      displaymode = 3;
      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {
        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_3[i];
      }
      break;
    case 3:    //     переключаемся из режима 3 в режим 4
      displaymode = 4;
      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {
        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_4[i];
      }
      break;
    case 4:    //     переключаемся из режима 4 в режим 5
      displaymode = 5;
      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {
        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_5[i];
      }
      break;
    case 5:    //      переключаемся из режима 5 в режим 1
      displaymode = 1;      
      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {
        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_1[i];
      }
      break;
  }

    lastDebounceTime = millis();
  }
  previousState = reading;
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy

of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal

in the Software without restriction, including without limitation the rights

to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell

copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is

furnished to do so, subject to the following conditions:

The above copyright notice and this permission notice shall be included in all

copies or substantial portions of the Software.

THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR

IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,

FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE

AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER

LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,

OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE

SOFTWARE.

#include <arduinoFFT.h>

#include <MD_MAX72xx.h>

#include <SPI.h>

#define SAMPLES 64 //Must be a power of 2

#define HARDWARE_TYPE MD_MAX72XX::FC16_HW // Set display type so that MD_MAX72xx library treets it properly

#define MAX_DEVICES 4 // Total number display modules

#define CLK_PIN 13 // Clock pin to communicate with display

#define DATA_PIN 11 // Data pin to communicate with display

#define CS_PIN 10 // Control pin to communicate with display

#define xres 32 // Total number of columns in the display, must be <= SAMPLES/2

#define yres 8 // Total number of rows in the display

int MY_ARRAY[]={0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255}; // default = standard pattern

int MY_MODE_1[]={0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255}; // standard pattern

int MY_MODE_2[]={0, 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1}; // only peak pattern

int MY_MODE_3[]={0, 128, 192, 160, 144, 136, 132, 130, 129}; // only peak + bottom point

int MY_MODE_4[]={0, 128, 192, 160, 208, 232, 244, 250, 253}; // one gap in the top , 3rd light onwards

int MY_MODE_5[]={0, 1, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255}; // standard pattern, mirrored vertically

double vReal[SAMPLES];

double vImag[SAMPLES];

char data_avgs[xres];

int yvalue;

int displaycolumn , displayvalue;

int peaks[xres];

const int buttonPin = 5; // к этому контакту подключена кнопка

int state = HIGH; // the current reading from the input pin

int previousState = LOW; // the previous reading from the input pin

int displaymode = 1;

unsigned long lastDebounceTime = 0; // the last time the output pin was toggled

unsigned long debounceDelay = 50; // the debounce time; increase if the output flickers

MD_MAX72XX mx = MD_MAX72XX(HARDWARE_TYPE, CS_PIN, MAX_DEVICES); // display object

arduinoFFT FFT = arduinoFFT(); // FFT object

void setup() {

ADCSRA = 0b11100101; // устанавливаем АЦП в режим непрерывного преобразования и коэффициент деления предделителя в 32 (0xe5)

ADMUX = 0b00000000; // используем контакт A0 и внешнее опопрное напряжение

pinMode(buttonPin, INPUT);

mx.begin(); // инициализируем дисплей

delay(50); // ждем пока опорное напряжение стабилизируется

}

void loop() {

// ++ Sampling

for(int i=0; i<SAMPLES; i++)

{

while(!(ADCSRA & 0x10)); // ждем пока АЦП полностью завершит преобразование

ADCSRA = 0b11110101 ; // очищаем бит ADIF чтобы АЦП смог приступить к следующему преобразованию (0xf5)

int value = ADC - 512 ; // считывваем информацию из АЦП и вычитаем постоянный сдвиг (512)

vReal[i]= value/8; // Copy to bins after compressing

vImag[i] = 0;

}

// -- Sampling

// ++ FFT

FFT.Windowing(vReal, SAMPLES, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);

FFT.Compute(vReal, vImag, SAMPLES, FFT_FORWARD);

FFT.ComplexToMagnitude(vReal, vImag, SAMPLES);

// -- FFT

// ++ re-arrange FFT result to match with no. of columns on display ( xres )

int step = (SAMPLES/2)/xres;

int c=0;

for(int i=0; i<(SAMPLES/2); i+=step)

{

data_avgs[c] = 0;

for (int k=0 ; k< step ; k++) {

data_avgs[c] = data_avgs[c] + vReal[i+k];

}

data_avgs[c] = data_avgs[c]/step;

c++;

}

// -- re-arrange FFT result to match with no. of columns on display ( xres )

// ++ send to display according measured value

for(int i=0; i<xres; i++)

{

data_avgs[i] = constrain(data_avgs[i],0,80); // set max & min values for buckets

data_avgs[i] = map(data_avgs[i], 0, 80, 0, yres); // remap averaged values to yres

yvalue=data_avgs[i];

peaks[i] = peaks[i]-1; // decay by one light

if (yvalue > peaks[i])

peaks[i] = yvalue ;

yvalue = peaks[i];

displayvalue=MY_ARRAY[yvalue];

displaycolumn=31-i;

mx.setColumn(displaycolumn, displayvalue); // for left to right

}

// -- send to display according measured value

displayModeChange (); // проверяем нажата ли кнопка изменения режима отображения дисплея

}

void displayModeChange() {

int reading = digitalRead(buttonPin);

if (reading == HIGH && previousState == LOW && millis() - lastDebounceTime > debounceDelay) // works only when pressed

{

switch (displaymode) {

case 1: // переключаемся из режима 1 в режим 2

displaymode = 2;

for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {

MY_ARRAY[i]=MY_MODE_2[i];

}

break;

case 2: // переключаемся из режима 2 в режим 3

displaymode = 3;

for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {

MY_ARRAY[i]=MY_MODE_3[i];

}

break;

case 3: // переключаемся из режима 3 в режим 4

displaymode = 4;

for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {

MY_ARRAY[i]=MY_MODE_4[i];

}

break;

case 4: // переключаемся из режима 4 в режим 5

displaymode = 5;

for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {

MY_ARRAY[i]=MY_MODE_5[i];

}

break;

case 5: // переключаемся из режима 5 в режим 1

displaymode = 1;

for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {

MY_ARRAY[i]=MY_MODE_1[i];

}

break;

}

lastDebounceTime = millis();

}

previousState = reading;

}

Видео, демонстрирующее работу схемы

Источник статьи

(Проголосуй первым!)

Загрузка...

4 136 просмотров

Сергей говорит 06.04.2024 в 01:07:

Не лучше ли запитывать светодиодную матрицу напрямую от 5 вольтового питания, а не от 5 Вт выхода ардуины?

Ответить ↓
- admin-new говорит 06.04.2024 в 12:37:
  
  Ну если у вас есть такой отдельный источник питания то конечно это будет удобнее
  
  Ответить ↓
Сергей говорит 05.04.2024 в 16:21:

Подключение этого визуализатора не повлияет на качество звука в динамиках?

Ответить ↓
- admin-new говорит 05.04.2024 в 19:06:
  
  Не должен если правильно подключите, он не должен делать короткое замыкание на аудиовыходе
  
  Ответить ↓

32-полосный анализатор-визуализатор спектра звуковых частот на Arduino

Необходимые компоненты

Общие принципы работы проекта

Частотная характеристика

Дополнительные детали

Подача входного сигнала на анализатор спектра

Работа схемы

Исходный код программы (скетча)

Видео, демонстрирующее работу схемы

Комментарии

32-полосный анализатор-визуализатор спектра звуковых частот на Arduino — 4 комментария

Добавить комментарий Отменить ответ

Необходимые компоненты

Общие принципы работы проекта

Частотная характеристика

Дополнительные детали

Подача входного сигнала на анализатор спектра

Работа схемы

Исходный код программы (скетча)

Видео, демонстрирующее работу схемы

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ