引言
音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，利用噴泉來表現(xiàn)音樂的美，令人賞心悅目。目前許多單位均推出了自己的音樂噴泉，取得了良好的效果。但縱觀這些音控產(chǎn)品，有的利用音樂的時域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個頻段來控制噴泉的花型，且多采用低頻、中頻和高頻三個頻段來控制。缺點(diǎn)是都沒有在頻域上很好地展現(xiàn)音樂，因此不能很好地體現(xiàn)音樂的內(nèi)涵。本設(shè)計針對這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的變化，通過噴泉水柱的噴射高低來實(shí)時地展現(xiàn)音樂的頻譜。
總體設(shè)計
首先對音頻信號進(jìn)行放大、濾波、采樣和A/D轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，經(jīng)過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(yīng)聲音信號的強(qiáng)度，通過變頻控制系統(tǒng)就可以將頻譜圖用噴泉的水柱表現(xiàn)出來，水柱的高低按線性比例反映音頻信號的幅度。設(shè)每次對音頻信號的采樣個數(shù)為n，系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。
圖1 總體設(shè)計框圖
具體設(shè)計
芯片及功能模塊介紹
TLV320AIC23(簡稱AIC23)是一個高性能的多媒體數(shù)字語音編解碼器，它的內(nèi)部ADC和DAC轉(zhuǎn)換模塊帶有完整的數(shù)字濾波器。內(nèi)部有11個16位寄存器，控制接口具有SPI和I2C工作方式。數(shù)據(jù)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ADC采集達(dá)到96kHz時噪音為90-dBA，能夠高保真的保存音頻信號。在DAC轉(zhuǎn)換達(dá)到96kHz時噪音為100-dBA，能夠高品質(zhì)的數(shù)字回放音頻。
TMS320C6713是TI公司生產(chǎn)的一種高速數(shù)字信號處理器(DSP)，他采用先進(jìn)的超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，每時鐘周期可以執(zhí)行8條32b指令，最高時鐘頻率可以達(dá)到300MHz，指令周期最小3.3ns。該芯片具有豐富的片內(nèi)存儲器資源和多種片上外設(shè)，外部總的存儲器地址空間最大512MB，數(shù)據(jù)寬度為32b，可以支持SBRAM，SDRAM，SRAM，F(xiàn)ALSH和EPROM。
TMS320C6713中有兩個多通道緩沖串口(McBSP)，可以方便地利用這兩個McBSP完成對AIC23的控制和通信。
硬件連接
TMS320C6713與TLV320AIC23的連接
TMS320C6713的兩個多通道緩沖串口分別配置成I2C模式和SPI模式McBSP0作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端口，McBSP1作為控制端口，對AIC23寫控制字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(tǒng)設(shè)計
變頻控制系統(tǒng)是由變頻控制器、變頻分配器和變頻器構(gòu)成。對于8路以下的控制系統(tǒng)變頻控制系統(tǒng)可采用圖3所示的控制方法。
圖3 變頻控制系統(tǒng)
經(jīng)DSP處理后的音樂信號自動轉(zhuǎn)換成變頻調(diào)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信號大小成線性關(guān)系，使噴泉的噴高隨音樂信號大小變化。
對于8路以上的多路噴泉控制可以采用擴(kuò)展音樂噴泉控制器和變頻演示儀功能的方式來滿足要求。DSP作為變頻型音樂噴泉控制系統(tǒng)的控制中心，以后以4路進(jìn)行擴(kuò)展，分別為4路、8路、12路、16路……，以此類推。每路控制一臺變頻調(diào)速器，將音樂信號轉(zhuǎn)換成變頻調(diào)速器所能接受的4~20mA直流電流信號，來驅(qū)動變頻調(diào)速器，使噴泉的噴高隨音樂信號的大小而變化。
軟件實(shí)現(xiàn)
總統(tǒng)軟件設(shè)計
首先初始化McBSP0口和McBSP1口，配置AIC23，然后啟動AIC23的A/D轉(zhuǎn)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)的公式見公式1，為了進(jìn)行快速傅立葉變化，采取時間抽取(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(yīng)到頻域上也是N點(diǎn)，設(shè)頻域上對應(yīng)第k點(diǎn)的頻率為fk，則其計算公式見公式2。其中fs為音頻信號的采樣頻率，f'k為歸一化頻率，f'k的計算公式見公式3。因此由公式2和公式3可以得出頻譜圖上每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際頻率值。
音頻數(shù)據(jù)采集
1、采樣頻率
根據(jù)采樣定理，采用頻率至少應(yīng)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(shè)備的原因，采用頻率一般要高出10%，即44kHz。由于AIC23支持44.1kHz，所以本設(shè)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(qiáng)度正比于聲音的幅度。與頻率一樣，人耳對聲音強(qiáng)度的感受能力不是成線性關(guān)系，而是成對數(shù)關(guān)系，常用dB(分貝)來表示。dB的定義為：20log(A1/A2)，A1，A2為聲音的兩個幅度。
當(dāng)采用大小為8位時，那么聲音的最大和最小的幅度比為256，則：20log(256)=48dB，當(dāng)采用大小為16位時，那么聲音的最大和最小的幅度比為65536，則：20log(65536)=96dB此時最大聲強(qiáng)已經(jīng)接近于人耳的極限。本設(shè)計中樣本大小選用16位。
3、數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
程序設(shè)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配置其寄存器來完成的。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(nèi)部有11個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]為要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。對本設(shè)計寫入這11個寄存器的數(shù)值如下：左聲道輸入控制=0x17；右聲道輸入控制=0x17；左耳機(jī)通道控制=0x7f；右耳機(jī)通道控制=0x7f；模擬音頻通道控制=0x1c；數(shù)字音頻通道控制=0x1；啟動控制=0；數(shù)字音頻格式=0x4f；樣本速率控制=0x3f；數(shù)字界面激活=0x01；初始化寄存器=0。
c)啟動轉(zhuǎn)換，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲在DSP的內(nèi)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為音頻信號的時域波形。每次采樣數(shù)為128，采樣頻率設(shè)為44.1kHz，樣本大小為16位。
圖5 音頻信號頻譜圖
圖6 音頻信號時域波形
結(jié)束語
本文給出了一種新的音樂噴泉的設(shè)計方案，提出了通過噴泉水柱的高低變化來展現(xiàn)音樂信號的頻譜的方法，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(yīng)用于音樂噴泉系統(tǒng)中。詳細(xì)地闡述了TMS320C6713與音頻codecAIC23接口的軟件編程與硬件系統(tǒng)設(shè)計。這一方案在Code Composer Studio(CCS2.0)環(huán)境下運(yùn)行仿真器進(jìn)行軟件硬件聯(lián)合調(diào)試時取得了較好的效果，證實(shí)了設(shè)計的成功和方案的可用性。本方案不僅可以作為音樂噴泉的前端控制系統(tǒng)設(shè)計，如果加上一個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。