基于LPC54114的声音氛围灯

NXP管管

基于LPC54114的声音氛围灯

作者：不是茄子
项目简介：
本项目基于万利LPC54110开发板，通过DMIC子系统实现音频信号16ksps的拾取，并利用该信号进行FFT变换，将8kHz内频谱信息显示在8×8的WS2812面板上，通过SPI接口完成对WS2812数据通信，实现声音氛围灯。

直接看视频介绍：

万利LPC54110开发板板载LPC54114高性能双核MCU，板载数字麦克风芯片，TF卡以及丰富的外设接口。LPC54114内部带有数字麦克风子系统DMIC，能够直接实现PDM、I2S等数字音频方面的应用。本项目基于万利LPC54110开发板，通过DMIC子系统实现音频信号16ksps的拾取，并利用该信号进行FFT变换，将8kHz内频谱信息显示在8×8的WS2812面板上，实现声音氛围灯。限于时间和作者水平，该项目仅仅呈现出了该芯片的一小部分功能。

系统原理：
代码介绍： WS2812驱动

WS2812不同于其它显示驱动芯片，其仅采用一个管脚，通过高低电平持续时间长短来区分一个code（0或1）。Code0时，高电平≈400ns，低电平≈800ns；Code1时，高电平≈800ns，低电平≈400ns；RESET时，低电平大于50μs。

结合其数据特征，可以直接使用SPI中MOSI管脚，无数据时，MOSI一直输出低电平，等效于WS2812的RESET信号，需要指出的是，该RESET信号并不会清除显示，只是让各个WS2812重新进入数据采集状态。而在发送数据时，则一次性发送全部显示数据。由于SPI在时钟输出前MOSI会提前两个时钟周期上线，因此，SPI发送数据的第一个字节为0x00，显示数据从第二个字节开始填充。

考虑使用3个bit数据来表示一个code，WS2812为GRB24bit颜色模式，因此，一个WS2812的颜色需要24codes = 72bits=9bytes的数据。利用共用体数据结构，按照大端在前规则，设置如下数据结构。

1. union WS2812_pixelData //Stand for one pixel data for WS2812
   
2. 
   
3. {
   
4. 
   
5. unsigned int box; //4 byte
   
6. 
   
7. struct
   
8. 
   
9. {
   
10. 
    
11. unsigned int pixelBit0:3;
    
12. 
    
13. unsigned int pixelBit1:3;
    
14. 
    
15. unsigned int pixelBit2:3;
    
16. 
    
17. unsigned int pixelBit3:3;
    
18. 
    
19. unsigned int pixelBit4:3;
    
20. 
    
21. unsigned int pixelBit5:3;
    
22. 
    
23. unsigned int pixelBit6:3;
    
24. 
    
25. unsigned int pixelBit7:3;
    
26. 
    
27. }pixelByteX; //Share space of box, 4 byte, but 24bit used
    
28. 
    
29. unsigned char byteX[3]; //used for GRB
    
30. 
    
31. }WSpData[3];

复制代码

根据数据结构开始进行底层显存masterTxData填充，发送的第一个字节为全0数据，后续字节按照应用层显存WS_masterTxDataX结合位段操作填充WS2812_CODE1（0x06，0b‘110）或者WS2812_CODE0（0x04，0b‘100）。

1. masterTxData[0] = 0x00;
   
2. 
   
3. for(i = 0;i < (TRANSFER_SIZE / 9);i++)
   
4. 
   
5. {
   
6. 
   
7. //Green pixel byte
   
8. 
   
9. G_pixel = ((*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 2)) > WS_brightness) ? (WS_brightness) : (*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 2));
   
10. 
    
11. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit7 = ((0x01 << 7) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
12. 
    
13. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit6 = ((0x01 << 6) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
14. 
    
15. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit5 = ((0x01 << 5) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
16. 
    
17. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit4 = ((0x01 << 4) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
18. 
    
19. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit3 = ((0x01 << 3) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
20. 
    
21. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit2 = ((0x01 << 2) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
22. 
    
23. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit1 = ((0x01 << 1) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
24. 
    
25. WSpData[2].pixelByteX.pixelBit0 = ((0x01 << 0) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
26. 
    
27. //Red pixel byte
    
28. 
    
29. R_pixel = ((*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 1)) > WS_brightness) ? (WS_brightness) : (*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 1));
    
30. 
    
31. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit7 = ((0x01 << 7) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
32. 
    
33. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit6 = ((0x01 << 6) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
34. 
    
35. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit5 = ((0x01 << 5) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
36. 
    
37. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit4 = ((0x01 << 4) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
38. 
    
39. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit3 = ((0x01 << 3) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
40. 
    
41. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit2 = ((0x01 << 2) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
42. 
    
43. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit1 = ((0x01 << 1) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
44. 
    
45. WSpData[1].pixelByteX.pixelBit0 = ((0x01 << 0) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
46. 
    
47. //Blue pixel byte
    
48. 
    
49. B_pixel = ((*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 0)) > WS_brightness) ? (WS_brightness) : (*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 0));
    
50. 
    
51. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit7 = ((0x01 << 7) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
52. 
    
53. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit6 = ((0x01 << 6) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
54. 
    
55. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit5 = ((0x01 << 5) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
56. 
    
57. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit4 = ((0x01 << 4) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
58. 
    
59. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit3 = ((0x01 << 3) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
60. 
    
61. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit2 = ((0x01 << 2) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
62. 
    
63. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit1 = ((0x01 << 1) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
64. 
    
65. WSpData[0].pixelByteX.pixelBit0 = ((0x01 << 0) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);
    
66. 
    
67. masterTxData[9 * i + 1] = WSpData[2].byteX[2];
    
68. 
    
69. masterTxData[9 * i + 2] = WSpData[2].byteX[1];
    
70. 
    
71. masterTxData[9 * i + 3] = WSpData[2].byteX[0];
    
72. 
    
73. masterTxData[9 * i + 4] = WSpData[1].byteX[2];
    
74. 
    
75. masterTxData[9 * i + 5] = WSpData[1].byteX[1];
    
76. 
    
77. masterTxData[9 * i + 6] = WSpData[1].byteX[0];
    
78. 
    
79. masterTxData[9 * i + 7] = WSpData[0].byteX[2];
    
80. 
    
81. masterTxData[9 * i + 8] = WSpData[0].byteX[1];
    
82. 
    
83. masterTxData[9 * i + 9] = WSpData[0].byteX[0];
    
84. 
    
85. }
    
86. 
    
87. /* Set up handle for spi master */
    
88. 
    
89. SPI_MasterTransferCreateHandleDMA(WS2812_SPI_MASTER, &masterHandle, SPI_MasterUserCallback, NULL, &masterTxHandle,
    
90. 
    
91. &masterRxHandle);
    
92. 
    
93. /* Start master transfer */
    
94. 
    
95. masterXfer.txData = (uint8_t *)&masterTxData;
    
96. 
    
97. masterXfer.rxData = (uint8_t *)&masterRxData;
    
98. 
    
99. masterXfer.dataSize = TRANSFER_SIZE * sizeof(masterTxData[0]);
    
100. 
     
101. masterXfer.configFlags = kSPI_FrameAssert;
     
102. 
     
103. if (kStatus_Success != SPI_MasterTransferDMA(WS2812_SPI_MASTER, &masterHandle, &masterXfer))
     
104. 
     
105. {
     
106. 
     
107. PRINTF("There is an error when start SPI_MasterTransferDMA \r\n ");
     
108. 
     
109. }
     
110. 
     
111. /* Wait until transfer completed */
     
112. 
     
113. while (!isTransferCompleted)
     
114. 
     
115. {
     
116. 
     
117. }
     
118. 
     
119. SysTick_DelayTicks(4); //ms

复制代码

DMIC子系统


DMIC子系统时LPC54114的一个特色功能，能够实现PDM、PCM、I2S数据接口之间的数据直通，大幅降低了数据驱动开发的工作量。其初始化代码以及传输启动代码如下所示。

1. void DMICx_Config(void)
   
2. 
   
3. {
   
4. 
   
5. dmic_channel_config_t dmic_channel_cfg;
   
6. 
   
7. //////////DMIC Init//////////
   
8. 
   
9. dmic_channel_cfg.divhfclk = kDMIC_PdmDiv1;
   
10. 
    
11. dmic_channel_cfg.osr = 25U;
    
12. 
    
13. dmic_channel_cfg.gainshft = 3U;
    
14. 
    
15. dmic_channel_cfg.preac2coef = kDMIC_CompValueZero;
    
16. 
    
17. dmic_channel_cfg.preac4coef = kDMIC_CompValueZero;
    
18. 
    
19. dmic_channel_cfg.dc_cut_level = kDMIC_DcCut155;
    
20. 
    
21. dmic_channel_cfg.post_dc_gain_reduce = 1;
    
22. 
    
23. dmic_channel_cfg.saturate16bit = 1U;
    
24. 
    
25. dmic_channel_cfg.sample_rate = kDMIC_PhyFullSpeed;
    
26. 
    
27. #if defined(FSL_FEATURE_DMIC_CHANNEL_HAS_SIGNEXTEND) && (FSL_FEATURE_DMIC_CHANNEL_HAS_SIGNEXTEND)
    
28. 
    
29. dmic_channel_cfg.enableSignExtend = true;
    
30. 
    
31. #endif
    
32. 
    
33. DMIC_Init(DMIC0);
    
34. 
    
35. #if !(defined(FSL_FEATURE_DMIC_HAS_NO_IOCFG) && FSL_FEATURE_DMIC_HAS_NO_IOCFG)
    
36. 
    
37. DMIC_SetIOCFG(DMIC0, kDMIC_PdmDual);
    
38. 
    
39. #endif
    
40. 
    
41. DMIC_Use2fs(DMIC0, true);
    
42. 
    
43. DMIC_SetOperationMode(DMIC0, kDMIC_OperationModeDma);
    
44. 
    
45. DMIC_ConfigChannel(DMIC0, kDMIC_Channel0, kDMIC_Left, &dmic_channel_cfg);
    
46. 
    
47. DMIC_FifoChannel(DMIC0, kDMIC_Channel0, FIFO_DEPTH, true, true);
    
48. 
    
49. DMIC_EnableChannelDma(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL, true);
    
50. 
    
51. DMIC_ConfigChannel(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL, kDMIC_Left, &dmic_channel_cfg);
    
52. 
    
53. DMIC_FifoChannel(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL, FIFO_DEPTH, true, true);
    
54. 
    
55. DMIC_EnableChannnel(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL_ENABLE);
    
56. 
    
57. PRINTF("Configure DMA\r\n");
    
58. 
    
59. // DMA_Init(DMA0);
    
60. 
    
61. DMA_EnableChannel(DMA0, APP_DMAREQ_CHANNEL);
    
62. 
    
63. DMA_SetChannelPriority(DMA0, DMAREQ_DMIC0, kDMA_ChannelPriority1);
    
64. 
    
65. /* Request dma channels from DMA manager. */
    
66. 
    
67. DMA_CreateHandle(&g_dmicRxDmaHandle, DMA0, APP_DMAREQ_CHANNEL);
    
68. 
    
69. /* Create DMIC DMA handle. */
    
70. 
    
71. DMIC_TransferCreateHandleDMA(DMIC0, &g_dmicDmaHandle, DMICx_UserCallback, NULL, &g_dmicRxDmaHandle);
    
72. 
    
73. }
    
74. 
    
75. void DMICx_start(void)
    
76. 
    
77. {
    
78. 
    
79. receiveXfer.dataSize = 2 * BUFFER_LENGTH;
    
80. 
    
81. receiveXfer.data = (uint16_t *)g_rxBuffer;//DmicState.Buffer;//(uint16_t *)testbuffer;//
    
82. 
    
83. DMIC_TransferReceiveDMA(DMIC0, &g_dmicDmaHandle, &receiveXfer, kDMIC_Channel0);
    
84. 
    
85. DMIC_EnableChannnel(DMIC0, DMIC_CHANEN_EN_CH0(1));
    
86. 
    
87. }

复制代码

需要注意的是，由于DMIC和SPI均使用了DMA数据传输功能，因此，在初始化和操作时需要注意不要对DMA0重复初始化，另外，SPI传输完成后不能调用DMA_Deinit(WS2812_DMA)，这样会关闭所有的DMA传输导致程序卡死。

管脚配置与时钟配置

该项目利用MCUXpresso IDE进行开发，该工具类似与STMCubeIDE，能够进行以GUI形式配置GPIO、时钟、外设等。配置时钟如下图：新建BOARD_BootClockPLL150M功能组，并配置相应的时钟。

快速傅里叶变换（FFT）

该部分代码直接搬运Arduino中的FFT例程，为了实现比较短的采样间隔，使用800kHz时钟频率，并降低采样点数为128点，虽然，频率精度变低，但是一个完整显示和处理周期时间相比于256点由45ms降低至26ms，能够较快响应外部声音变化。

在FFT部分，对计算得到的频域功率谱进行分段求和、归一，得到WS2812显示面板每一列像素数量，之后在主程序中调用WS2812_ShowLineDMA(Red,Blue4);函数进行显示。

小结：

氛围灯一直时我想做的项目之一，然而，因为各种各样的借口一拖再拖。这次，实现了声音氛围灯的雏形，为后续继续开展相关创作奠定基础，树立信心。本次项目的感受：

1、MCU领域日新月异，有各种各样强大功能的MCU陆续问世。身处此洪流之中，虽有官方例程加持，但核心还是ARM、RISC-V等内核原理和典型外设（DMA等）的工作原理、调试方法。
2、学会如何使用别人的轮子。别人的“轮子”，特别是开源平台上的，代码规范，水平高，学习他们的代码要强于自己一点一点写，做出来的功能也要更丰富。
3、为了扩展产品的应用，各个厂商制作了丰富的教程、例程、IDE等，加快了产品投放市场的速度。那么，嵌入式MCU的共性技术时什么呢？

阅读全文

jobszheng5

是不是可以开个帖子分析一下这个实现的硬件架构、软件架构。
有感兴趣的吗？

NXP管管

jobszheng5 发表于 2022-8-19 14:19
是不是可以开个帖子分析一下这个实现的硬件架构、软件架构。
有感兴趣的吗？ ...

已增加

mgn

我们内部有个小项目在run，类似的效果