音樂噴泉控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用
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(shí)域變化來控制噴泉,有的將音樂分成幾個(gè)頻段來控制噴泉的花型,且多采用低頻、中頻和高頻三個(gè)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(jì)針對(duì)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(shí)地展現(xiàn)音樂的頻譜。 總體設(shè)計(jì) 首先對(duì)音頻信號(hào)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(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換,可以得到音頻信號(hào)的頻譜,即各頻率對(duì)應(yīng)聲音信號(hào)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(hào)的幅度。設(shè)每次對(duì)音頻信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)為n,系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。 具體設(shè)計(jì) 芯片及功能模塊介紹
TMS320C6713是TI公司生產(chǎn)的一種高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),他采用先進(jìn)的超長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu),每時(shí)鐘周期可以執(zhí)行8條32b指令,最高時(shí)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(chǔ)器資源和多種片上外設(shè),外部總的存儲(chǔ)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(gè)多通道緩沖串口(McBSP),可以方便地利用這兩個(gè)McBSP完成對(duì)AIC23的控制和通信。 硬件連接 TMS320C6713與TLV320AIC23的連接 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
經(jīng)DSP處理后的音樂信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成變頻調(diào)速器所要求的4~20mA直流電流信號(hào)。輸出直流電流信號(hào)與輸入的音樂信號(hào)大小成線性關(guān)系,使噴泉的噴高隨音樂信號(hào)大小變化。 對(duì)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(tái)變頻調(diào)速器,將音樂信號(hào)轉(zhuǎn)換成變頻調(diào)速器所能接受的4~20mA直流電流信號(hào),來驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速器,使噴泉的噴高隨音樂信號(hào)的大小而變化。 軟件實(shí)現(xiàn) 總統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 對(duì)N點(diǎn)音頻信號(hào)進(jìn)行FFT變換,由公式1可知對(duì)應(yīng)到頻域上也是N點(diǎn),設(shè)頻域上對(duì)應(yīng)第k點(diǎn)的頻率為fk,則其計(jì)算公式見公式2。其中fs為音頻信號(hào)的采樣頻率,f'k為歸一化頻率,f'k的計(jì)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(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際頻率值。
圖4 總體流程框圖 音頻數(shù)據(jù)采集 1、采樣頻率 2、樣本大小 當(dāng)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(dāng)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(qiáng)已經(jīng)接近于人耳的極限。本設(shè)計(jì)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(jì)步驟如下: b)配置TLV320AIC23 c)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)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(hào)頻譜波形,圖6為音頻信號(hào)的時(shí)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6 音頻信號(hào)時(shí)域波形 結(jié)束語 本文給出了一種新的音樂噴泉的設(shè)計(jì)方案,提出了通過噴泉水柱的高低變化來展現(xiàn)音樂信號(hào)的頻譜的方法,利用DSP和音頻編解碼芯片在音頻信號(hào)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(jì)。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(shí)取得了較好的效果,證實(shí)了設(shè)計(jì)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(jì),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(hào)頻譜分析儀的模型。 [編輯:噴泉公司] [返回頂部] |
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