LED点阵胸牌魔改为音乐频谱（附视频、源代码、原理讲解fft）|创意DIY

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只看楼主倒序阅读我要置顶楼主发表于: 2016-11-07

之前参加某宝商家的免单活动（其实就是shua dan了，活动早就没了，别问了）免费得了个LED点阵胸牌。到手后发现他配套的上位机非常非常难用，10次连接，1次不到的概率能连接到胸牌下载程序，而且内容编辑功能也巨难用。然而，转念也想，貌似作为一个胸牌我也用不到，还不如跟风改造个音乐频谱，于是就有了今天的帖子。
胸牌原装的芯片是GD32f150c6t6，这个芯片时国内MCU企业兆易创新推出的超值型单片机。然而这个东西不像pos机上的gd32f103，和stm32f03基本上是完全兼容的。这货的引脚和stm32f103c8不兼容，但是和stm32f030c8引脚兼容（如图），然而GD32f150c6t6的内核是cortex m3,stm32f030c8内核是cortex m0，也就是说，这两个在内核上也是不兼容的。

所以说了半天，是不是有点绕。但是综上所述就是，GD32f150这个芯片不是我熟悉使用的，而且貌似无论使用stlink还是jlink都不能选到合适的型号直接调试（即不支持），要使用gd link ，但是我没有。
可以使用串口做isp下载，但是这样不能做调试还要每次下载拉boot0很不爽的。在观察电路的时候，我甚至发现，这个板子上的BOOT0引脚是直接接地的。也就是说，这真心断了我在原装芯片上折腾的兴趣。
正好GD32f150c6t6和stm32f030c8的引脚是兼容的，我手上也有几片stm32f030c8，于是就开始了本帖的魔改心路例程
首先先放上魔改总体设计图

第一步当然是拆原装芯片
拆下来的gd32妥善保管，以防以后研究没有进展不想玩了的时候，还有后悔的机会，吧原来芯片换回去就满血复活了

因为这个pcb是黑色的，所以在跑走线的时候，真心是一边骂娘一边在放大镜下看
顺便拍下了空焊盘下的走线，方便以后备查

还有一张
同时经过测量，我也吧boot0接地的走线直接隔断了，也是为了方便以后操作

换上stm32f030（这个芯片不带USB，这是和gd32的一个区别）

因为是黑油，很难完整的排查出走线，所以使用了观察走线（查出哪些走线和led有关）+程序点亮排查+万用表点亮（确定行列逻辑）的综合手段来排查
最后大概花了两天的时间吧走线跑通并实现点亮。

首先，这个led是44（列）*11（行）的点阵，使用了23个io来驱动
其次，每两列是共阳的
接着，每一行是有2-3个io来共阴驱动的，驱动的时候，一组负责奇数，一组负责偶数（大致是这样的，实际更复杂，但是也有规律）
最后，吧行列线直接直连。
第23根线的作用类似于用来解决对角线引脚重复问题（大致是这样的，实际更复杂，但是也有规律）

上面这段貌似说了一大堆也没说明白，其实这东西，语言不好讲明白，画电路图很复杂，只能意会不好言传，哈哈。暂且认为你们听懂了，实在不懂的，可能去看下程序怎么实现的，就懂了。
如图是吧所以列的共阳拉高，拉低点亮其中一行的情况，看到了吧，这规律还是有点风骚的

行驱动在对角线位置会出行跳到下一行的动作，并且奇偶会发生变化。这样就是为毛我熬了两天才吧所有线序弄明白的原因。
设计者的这个设计真的太精妙也太复杂了

最后的测序结果如图，很佩服用23个io点亮了484个led的人

其实这个工程到这里就算是吧最难的坎过去了，后面要做啥都很简单了，只要扫描驱动就好
如图是我做的驱动和原装没改造过的显示亮度效果对比
为了追求亮度，貌似我设置的扫描速度要稍微慢了点，但是也只是局限于相机的效果，反正眼睛看，都一样，没区别

后面点亮了整个led就是开始改造频谱了。
主要是加了在PA3输入音频信号，剪了一个报废的耳机线接上，又焊接了一个座子供声音输出监听用的。
板子左边吧供电和调试用的swd都引出来了。
至于外观，请勿吐槽，处于实验阶段都是随便乱接线的，图的是方便，要美观的话肯定是要等到设计定性以后才考虑的

特写

然后开始编程。主要就是吧快速傅里叶变换（FFT）的东西弄好了，就可以玩了
快速傅里叶变换（FFT）的这个东西，不接触的时候，看着就感觉都难，实际上，如果吧他当作一个黑箱来用的时候，其实就不怎么难了。
具体详细原理可以看这两个帖子：
http://www.51hei.com/bbs/dpj-49593-1.html
http://www.amobbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=5574941
（我大致说下怎么用，说的不好大神勿喷）
也就是说，这个东西的作用就是吧一段采集到的的信号进行分析，从而得到这段信号里面频率的分布和对应的强度，也就是说吧时域信号转为频域信号。
而如果我们吧他看作一个黑箱，给他输入的信号是adc采样得到的信号，中间进行了一些换算，换算的结果是以复数的形式表现的，最后进行取模运算，就是这个频率点对于的模长（可以理解成强度）。

我用到的是进行128点的转换。首先使用定时器进行定时（我设置了24khz采样，也就是说，最高能捕捉12khz的信号），设置每次定时器溢出的时候自动触发一次ADC转换。转换完成后的数据由DMA自动搬运到内存指定位置，这个采样过程无需cpu干预，完全自动，处理器该干嘛干嘛去。在完成128次定频率的转换后，会触发一个完成中断，在中断里面将处理完成标志置为1。
然后我们定义一个数组，里面使用结构体，实部加虚部，

复制代码

struct compx {float real,imag;};

这个数组长度为128。
当满足上一次换算完成和adc采样完成的两个条件时，将所有采样adc得到的数据搬运到上面定义的数组里面的实部里面，然后将所以虚部赋值为0.
这个数组完成赋值后，就可以吧他丢给FFT函数进行换算了，具体的换算过程，我们不用管他，当做黑箱来用，感兴趣的可以看看书。
完成换算以后，换算的结果是以复数的形式表现的，比如某个频率的信息以a＋bi的形式表示，这里a是实部，b是虚部,最后进行取模运算，也就是取a和b的平方根，就是这个频率点对于的模长（可以理解成强度）。
将这个模长进行长度拉申或压缩（为了适应屏幕的显示高度），然后就可以吧这些内容显示到屏幕上了。
核心代码展示
其实真的很简单，不难

复制代码

#define FFT_N 128
extern uint16_t scan_frame_buffer[44];//led显示缓存
extern uint8_t ADC_Sample_Complete;//ADC取样完成标志
extern uint16_t RegularConvData_Tab[ADC_sam_dat_size];
const uint16_t dat2display[12]={0x0000,0x0400,0x0600,0x0700,0x0780,0x07c0,0x07e0,0x07f0,0x07f8,0x07fc,0x07fe,0x07ff};//吧数据转换成显示的灯条长度
struct compx {float real,imag;};
struct compx s[FFT_N]; //FFT输入和输出：从S[1]开始存放，根据大小自己定义
void Show_Spectrum(void)
{
uint16_t i;
uint8_t cache;
while(ADC_Sample_Complete==0);//等待adc转换完成
for(i=0;i<FFT_N;i++)
{
s[i].real=(float)RegularConvData_Tab[i];//实部为正弦波FFT_N点采样，赋值为ADC取样值
s[i].imag=0; //虚部为0
}
ADC_Sample_Complete=0;//删除标志位
Restart_DMA();//开始采样
FFT(s);//做傅里叶变换
for(i=0;i<FFT_N;i++)
{
s[i].real=sqrt(s[i].real*s[i].real+s[i].imag*s[i].imag); //求变换后结果的模值，存入复数的实部部分
}
for(i=0;i<44;i++)//吧计算结果写入显示缓存
{
cache=(uint8_t)(s[i+1].real/200);
if(cache>11)cache=11;
scan_frame_buffer[i]=dat2display[cache];
}
}

我现在做的转换所需耗时的参数和专业人士做的还是有很大的差距，不过也是在可视范围内完全完全够用了。
做128点FFT运算。处理器M0内核，速度48mhz。每次转换耗时约20ms的样子。也就是说每秒刷新50次已经完全超出视觉了，也是够用了。

而这次做下来，最花时间的首先是跑LED的走线和想办法驱动，第二花时间的是如何实现TIM+ADC+DMA的自动运行。因为我是第一次用STM32F030，之前用103的时候很多想法都有先人实践过，大部分抄过来改改就行了，然而030真心资料好少，调试这三样东西花了我好多的精力才调通。其中有两个坑要说的，默认的TIMER-TRGO事件是定时器复位而不是定时器updata溢出，也就是说，要配置成updata，才能在每次定时器溢出的时候触发adc 。第二出就是这个芯片的定时器15个人感觉有很大的问题。它定出来的时间是常规的128分频，然而我找了参考手册，没找到关于怎么调整这个分频为1分频的地方。参考时钟树，发觉同样是挂在APB2上的定时器16，确是一切正常，毫无半点问题，这也是百思不得其解。。。。之前我是用定时器15触发adc的，结果发觉频率老是不对，后来改到了定时器3触发，就一切正常了。

最后说一点，对于USB和电池电压检测，因为换了030，都是不支持的，所以这方面我就没研究了。

使用软件单一频率的扫频部分图

最后是音乐播放的视频
其实如果这个点阵能宽度变成2倍的话，也就是44*22的话，那么显示效果真的能大大提升，现在这个矮矮的，频率条子太容易冲出去了。
里面有四首歌，（按顺序）分别是，这些歌里面除了第三首是看了坛友的视频跟风测试的以外，其他几首貌似都比较小众，个人感觉也很悦耳，算是安利一发吧，喜欢的可以下载听听
King of My Heart
歌手：Love & the Outcome
Bonnie & Clyde
歌手：Sarah Connor/Henning Wehland
My Soul（忧伤还是快乐）
歌手：昼夜
The Riot's Gone
歌手：Santigold