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《DNK210使用指南 -CanMV版 V1.0》第三十二章 音频FFT实验

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发表于 2024-10-22 11:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 正点原子运营 于 2024-10-22 11:01 编辑

第三十二章 音频FFT实验

1)实验平台:正点原子DNK210开发板

2)章节摘自【正点原子】DNK210使用指南 - CanMV版 V1.0


4)全套实验源码+手册+视频下载地址:http://www.openedv.com/docs/boards/k210/ATK-DNK210.html

5)正点原子官方B站:https://space.bilibili.com/394620890

6)正点原子K210技术交流企鹅群:605557868

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本章将介绍CanMV下FFT的应用,通过将时域采集到的音频数据通过FFT为频域。通过本章的学习,读者将学习到CanMV下控制FFT加速器进行FFT的使用。
本章分为如下几个小节:
32.1 maix.FFT模块介绍
32.2 硬件设计
32.3 程序设计
32.4 运行验证

32.1 maix.FFT模块介绍
Kendryte K210片上拥有一个FFT Accelerator(快速傅里叶变换加速器)可以实现以硬件的方式对FFT的基2时分运算加速,Kendryte K210上的FFT Accelerator特点如下所示:
1. 支持多种运算长度,即支持64点、128点、256点以及512点运算
2. 支持两种运算模式,即FFT以及IFFT运算
3. 支持可配的输入数据宽度,即支持32bit以及64bit输入
4. 支持可配的输入数据排列方式,即支持虚部、实部交替,纯实部以及实部、虚部分离三种数据排列方式
5. 支持可配的数据搬运方式,即CPU搬运和DMA搬运
在CanMV中可以使用CanMV提供的maix.FFT模块操作Kendryte K210上的FFT Accelerator。maix.FFT模块可以对输入数据进行傅里叶变换并返回相应的频率幅值,可以将时域信号转换为频域信号。
maix.FFT模块提供了run()函数,用于对输入的时域数据进行FFT,run()函数如下所示:
  1. FFT.run(byte=None, points=64, shift=0, direction=1)
复制代码
run()函数用于对输入的时域数据进行FFT,运算过程会自动调用硬件上的FFTAccelerator,并会同时占用DMAC Channel3和DMAC Channel4。
byte指的是输入的时域数据,需要为bytearray类型。
points指的是FFT的运算长度,可以是64、128、256或512,默认为64。
shift指的是偏移,默认为0。
direction指的是运算模式,当为1时,为FFT,当为0时,是IFFT。
run()函数会返回一个list对象,表示计算后的频域数据,list有points个元组,每个元组都有2个元素,第一个元素为实部,第二个元素为虚部。
run()函数的使用示例如下所示:
  1. from maix import FFT
  2. data = bytearray(64)
  3. res = FFT.run(data, 64)
复制代码
maix.FFT模块提供了amplitude()函数,用于计算FFT后各个频率点的幅值,amplitude()函数如下所示:
  1. FFT.amplitude(res)
复制代码
amplitude()函数用于计算FFT后各个频率点的幅值,从而能够直观地看到频域下数据的状态。
res指的是FFT.run()函数运算后返回的频域数据。
amplitude()函数的使用示例如下所示:
  1. from maix import FFT
  2. data = bytearray(64)
  3. res = FFT.run(data, 64)
  4. amp = FFT.amplitude(res)
复制代码

32.2 硬件设计
32.2.1 例程功能
1. 获取板载数字麦克风的音频数据作为时域数据输入maix.FFT模块进行FFT得到频域数据后,计算频域数据各个频率点的幅值并在LCD上进行直观的图像显示
32.2.2 硬件资源
1. 数字麦克风
       IIS_SDIN- IO30
       IIS_BCK- IO32
       IIS_LRCK- IO33
32.2.3 原理图
本章实验内容,需要获取板载数字麦克风的音频数据。
DNK210开发板上的数字麦克风的连接原理图,如下所示:
image001.png
图32.2.3.1 数字功放NS4168连接原理图
关于该数字麦克风的使用方法,可参考MSM261S4030H0R的数据手册——《MSM261S4030H0R.pdf》,读者可在A盘à硬件资料à芯片资料下找到这份文档。

32.3 程序设计
32.3.1 maix.FFT模块介绍
有关maix.FFT模块的介绍,请见第32.1小节《maix.FFT模块介绍》。
32.3.2 程序流程图
image004.png
图32.3.2.1 音频FFT实验流程图
32.3.3 main.py代码
main.py中的脚本代码如下所示:
  1. from board import board_info
  2. from fpioa_manager import fm
  3. from maix import GPIO
  4. from maix import I2S
  5. from maix import FFT
  6. import lcd
  7. import image
  8. lcd.init()
  9. img = image.Image(size=(lcd.width(), lcd.height()))
  10. SAMPLE_RATE = 38640
  11. SAMPLE_POINTS = 1024
  12. FFT_POINTS = 512
  13. HIST_NUM = 50
  14. fm.register(board_info.SPK_CTRL, fm.fpioa.GPIO0)
  15. fm.register(board_info.MIC_WS, fm.fpioa.I2S0_WS)
  16. fm.register(board_info.MIC_SCLK, fm.fpioa.I2S0_SCLK)
  17. fm.register(board_info.MIC_SDIN, fm.fpioa.I2S0_IN_D0)
  18. spk_ctl = GPIO(GPIO.GPIO0, GPIO.OUT)
  19. spk_ctl.value(0)
  20. i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
  21. i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.RECEIVER, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)
  22. i2s_dev.set_sample_rate(SAMPLE_RATE)
  23. hist_width = int(lcd.width() / HIST_NUM)
  24. while True:
  25.    data = i2s_dev.record(SAMPLE_RATE)
  26.     # 对时域数据进行FFT
  27.     res= FFT.run(data.to_bytes(), FFT_POINTS)
  28.     # 计算频域数据各频率点的幅值
  29.     amp= FFT.amplitude(res)
  30.     img.clear()
  31.     for hist in range(HIST_NUM):
  32.        if amp[hist] > lcd.height():
  33.            hist_height = lcd.height()
  34.        else:
  35.            hist_height = amp[hist]
  36.        img.draw_rectangle(hist * hist_width, lcd.height() - hist_height, hist_width, hist_height, lcd.WHITE, 1, True)
  37.     lcd.display(img)
  38.     del data
  39.     del res
  40.     del amp
复制代码
可以看到一开始是先完成分配IO、初始化LCD、GPIO、I2S,为通过I2S获取板载数字扬声器的音频数据做准备。
然后便是在一个循环中不断地通过I2S获取音频数据,然后将音频数据作为时域数据输入进行FFT运算,得到频域数据的计算结果后,再计算频域数据各频率点的幅值,最后将各频率点的幅值通过直方图的形式在LCD上进行显示。

32.4 运行验证
将DNK210开发板连接CanMV IDE,点击CanMV IDE上的“开始(运行脚本)”按钮后,便了看到LCD上显示了板载数字麦克风采集到音频数据的频谱图,如下图所示:     
image005.png

图32.4.1 LCD显示频谱图

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