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摘 要： 详细介绍了一种基于ARM的音频频谱显示系统的实现，整个音频显示系统包括音频信号采集、音频信号处理以及音频信号转换后的显示等功能。在设计中综合了声音采集、ARM技术及FFT算法，构建了一个实时采集的频谱显示系统，可以应用于各种需要对声音进行采集和分析的场合。其中，硬件系统主要包括声音信号的采集与处理、最小系统、电源和显示模块；而软件系统则是将ADC转换的数据通过FFT算法后显示在LCM12864显示器上。测试结果表明，该系统具有较好的实时性和准确性。
关键词： 音频；频谱显示；FFT；ARM
本文设计了基于SONiX公司的ARM Cortex-M0 SN32F700的音频频谱显示器，采用性价比较高的Cortex-M0 SN32F700实现对音频频谱的分析处理，取代了传统使用纯硬件滤波器或专用数字处理芯片DSP来实现的方法，具有较高的实用价值。本文采用ARM作为控制核心[1-3]，充分发挥了其功耗超低、精度较高等优势，其他各部分电路设计也充分考虑了简单、可靠、经济等因素，为实际应用提供了一定的参考价值。
1 系统总体设计方案
1.1 系统控制芯片选择
本系统以SONiX公司的ARM Cortex-M0 SN32F700芯片为控制核心，SN32F700的主时钟的速率为50 MHz，采用三级流水线结构且片上资源丰富，能够很好地实现系统的控制和算法，甚至能简化一些复杂的硬件电路。相比于普通的单片机，采用ARM作主控芯片的方案具有灵活性、可扩展性、通用性的优点，而且还可以根据市场的需求组合，价格上也有一定的优势，本系统最终选择ARM的芯片方案来构建音视频处理平台。
1.2 音频频谱显示方案
方案一 利用硬件滤波器和A/D转换器，并用DDS芯片配合FIFO对信号进行采集，通过DDS集成芯片产生一个频率稳定度和精度相当高的信号作为FIFO的时钟，然后由FIFO对A/D转换的结果进行采集和存储，最后送入MCU进行处理。
方案二 直接由32位MCU的定时中断进行信号的采集，然后对信号进行分析。因为32位MCU是50 MHz的单指令周期处理器，所以其定时精确度为20.0 ns，已经远远可以实现本文期望的采样率，而且控制方成本较低，因此选择由MCU直接采样。
方案一实现简单，但硬件成本高，方案二软件和硬件实现都较简单。而这里针对ARM资源多、运算速度快的特点，提出一种切实可行的快速傅里叶变换算法实现频谱显示。因此选取方案二作为音频频谱显示计方案。
1.3 系统控制方案选择
在整个音频处理系统中，采用顺序、循环扫描和定时输出显示的方式来对整个系统控制[4]。软件系统中的各个子程序逐步实现，最后再将所需要的子程序合并，这样就具有编写代码容易、易于移植、维护及开发周期短等特点。最重要的是实现了程序中数据的快速处理输出，使得将来的扩展更加方便。因此选用的主控芯片是SN32F700。
在上述硬件电路设计中，主要着眼于音频信号预处理电路的设计。在实际应用中，音频信号主要来源是咪头、麦克风输入信号或者是播放器输出信号，图3所示是一段电脑播放音乐时声卡输出的音频波形。
从图3可以看到，电脑上的声音信号的电压有正、负两种状态，当直接从电脑上取声音信号时，需要对其进行处理，使采集的电压全为正。下面介绍如何对信号进行处理，可以直接从电脑上取出声音信号，也可以通过采集电路采集外界的声音信号。
2.3 音频预处理放大电路
由于在实际的音频运用中，音频信号会出现电压为负值的现象，而单片机只能识别0和1，对负电平不能处理，因此要对音频信号进行处理，使得音频信号最后的输入达到单片机的电压变换范围，即在AVREFH和AVREFL之间，以便于MCU进行ADC转换。
由于是对声音信号处理，因此选择了对于音频信号具有很低失真率的LM358运算放大器。根据以上分析，设计出的音频预处理电路如图4所示。
图4中电阻R5、R6更具运算放大器中虚短与虚断的特性，即反相端2和同相端3两个输入口的电压和电流相等，R5、R6组成的是一个运算放大电路，（1+R5/R6）是其放大倍数。将输入的负电压信号变成正的电压信号，其原理是串联电阻分压和RC组成的低通滤波器根据输入电压的高低对输入信号进行充放电，使输入信号的电压得到升高。
2.4 音频显示电路
本设计所选用的显示屏LCM是JDL12864G-04。JDL12864G-04模块是点阵液晶显示模块，它主要由行驱动器、列驱动器以及128×64全点阵液晶显示器组成，可以完成图形和8×4个汉字（16×16点阵）。
LCM向用户提供一个标准的LCD显示驱动接口（有4位、8位和VGA等不同类型），用户按照接口要求进行操作来控制LCD正确显示。相比玻璃LCM是一种更高集成度的LCD产品，对小尺寸LCD显示，LCM可以比较方便地与各种微控制器（比如单片机）连接。由于SN32F700的时钟频率是50 MHz，则每秒钟对LCM的可刷新次数为50 M/（128×64×8）=762次，完全满足频谱刷新的频率。LCM12864显示电路如图5所示。
3 系统的软件设计与调试
系统的调试包括硬件平台的调试与系统程序的调试。在每一个工程中，调试都是一个非常重要且十分复杂的环节。
3.1 系统的软件设计
本系统软件程序设计中包含了初始化部分、音频采集部分、FFT运算部分、幅值计算部分及频谱显示部分。每个部分可以清晰地了解程序的流程，使得程序的结构更加简单，对于以后相应的开发可以很好地进行移植[5-6]。
3.2 系统的测试
系统的测试电路是将1 kHz的正弦波作为声音信号输入到电路中，图6是声音信号经过声音采集电路后的显示。其中，信号1是输出，信号2是输入。可以明显看出，信号1与信号2的波形是相反的，相位相差180°。
1 kHz的正弦波输入经过音频采集电路和音频预处理电路后的显示如图7所示。其中，信号线1为输入，信号2为输出，输入与输出方向相同，相位无差别。
本文介绍了基于ARM的音频频谱显示器的设计方法，完成了音频频谱显示器的设计和制作，并对其进行了性能测试。测试结果表明，整个系统能够顺利采集音频信号并进行处理，最终在LCD上显示所采集的频谱图，达到一个较好的性能，实现了预期的效果。
参考文献
[1] 周林，殷侠．数据采集与分析技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2005.
[2] 周立功，王祖麟，陈明计，等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[3] 田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] 李明明，李宏，王晨波．基于FPGA与单片机的音频频谱分析系统设计[J].微型机与应用，2013（1）：101-102.
[5] 王春菊.数字式频谱分析仪原理分析[J].标准、检测与仪器，2001（12）：95-96.
[6] 吴明晖．基于ARM的嵌入式系统开发与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2004.
