【Arduino 动手做】矩阵 16X16 图形音频频谱分析仪

【Arduino 动手做】矩阵 16X16 图形音频频谱分析仪
项目链接：https://alexgyver.ru/fhtspectrumanalyzer/
项目作者：alexgyver
项目参考：https://alexgyver.ru/arduino-first/#%E2%96%B6%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%8B_AlexGyver%E2%97%80
项目视频 ：https://www.youtube.com/watch?v=3b66UxMQoiw
项目代码：
https://github.com/AlexGyver/FHTSpectrumAnalyzer/blob/master/Firmware/spertrumWS2812_16x16_full/spertrumWS2812_16x16_full.ino
https://github.com/AlexGyver/FHTSpectrumAnalyzer/archive/master.zip

项目代码
[code]// -------------------------------- НАСТРОЙКИ --------------------------------
// матрица
#define WIDTH 16 // ширина матрицы (число диодов)
#define HEIGHT 16 // высота матрицы (число диодов)
#define BRIGHTNESS 240 // яркость (0 - 255)
// цвета высоты полос спектра. Длины полос задаются примерно в строке 95
#define COLOR1 CRGB::Green
#define COLOR2 CRGB::Yellow
#define COLOR3 CRGB::Orange
#define COLOR4 CRGB::Red
// сигнал
#define INPUT_GAIN 1.5 // коэффициент усиления входного сигнала
#define LOW_PASS 30 // нижний порог чувствительности шумов (нет скачков при отсутствии звука)
#define MAX_COEF 1.1 // коэффициент, который делает "максимальные" пики чуть меньше максимума, для более приятного восприятия
#define NORMALIZE 0 // нормализовать пики (столбики низких и высоких частот будут одинаковой длины при одинаковой громкости) (1 вкл, 0 выкл)
// анимация
#define SMOOTH 0.3 // плавность движения столбиков (0 - 1)
#define DELAY 4 // задержка между обновлениями матрицы (периодичность основного цикла), миллиисекунды
// громкость
#define DEF_GAIN 50 // максимальный порог по умолчанию (при MANUAL_GAIN или AUTO_GAIN игнорируется)
#define MANUAL_GAIN 0 // ручная настройка потенциометром на громкость (1 вкл, 0 выкл)
#define AUTO_GAIN 1 // автонастройка по громкости (экспериментальная функция) (1 вкл, 0 выкл)
// точки максимума
#define MAX_DOTS 1 // включить/выключить отрисовку точек максимума (1 вкл, 0 выкл)
#define MAX_COLOR CRGB::Red // цвет точек максимума
#define FALL_DELAY 50 // скорость падения точек максимума (задержка, миллисекунды)
#define FALL_PAUSE 700 // пауза перед падением точек максимума, миллисекунды
// массив тонов, расположены примерно по параболе. От 80 Гц до 16 кГц
byte posOffset[17] = {2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 30, 35, 60, 80, 100, 120};
// -------------------------------- НАСТРОЙКИ --------------------------------
// ---------------------- ПИНЫ ----------------------
// для увеличения точности уменьшаем опорное напряжение,
// выставив EXTERNAL и подключив Aref к выходу 3.3V на плате через делитель
// GND ---[10-20 кОм] --- REF --- [10 кОм] --- 3V3
#define AUDIO_IN 0 // пин, куда подключен звук
#define DIN_PIN 6 // пин Din ленты (через резистор!)
#define POT_PIN 7 // пин потенциометра настройки (если нужен MANUAL_GAIN)
// ---------------------- ПИНЫ ----------------------
// --------------- ДЛЯ РАЗРАБОТЧИКОВ ---------------
#define NUM_LEDS WIDTH * HEIGHT
#define FHT_N 256 // ширина спектра х2
#define LOG_OUT 1
#include // преобразование Хартли
#include
CRGB leds[NUM_LEDS];
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
int gain = DEF_GAIN; // усиление по умолчанию
unsigned long gainTimer, fallTimer;
byte maxValue;
float k = 0.05, maxValue_f = 0.0;
int maxLevel[16];
byte posLevel_old[16];
unsigned long timeLevel[16], mainDelay;
boolean fallFlag;
// --------------- ДЛЯ РАЗРАБОТЧИКОВ ---------------
void setup() {
// поднимаем частоту опроса аналогового порта до 38.4 кГц, по теореме
// Котельникова (Найквиста) максимальная частота дискретизации будет 19 кГц
// http://yaab-arduino.blogspot.ru/2015/02/fast-sampling-from-analog-input.html
sbi(ADCSRA, ADPS2);
cbi(ADCSRA, ADPS1);
sbi(ADCSRA, ADPS0);
analogReference(EXTERNAL);
Serial.begin(9600);
FastLED.setBrightness(BRIGHTNESS);
FastLED.addLeds(leds, NUM_LEDS);
}
void loop() {
if (millis() - mainDelay > DELAY) { // итерация главного цикла
mainDelay = millis();
analyzeAudio(); // функция FHT, забивает массив fht_log_out[] величинами по спектру
for (int i = 0; i < 128; i ++) {
// вот здесь сразу фильтруем весь спектр по минимальному LOW_PASS
if (fht_log_out[i] < LOW_PASS) fht_log_out[i] = 0;
// усиляем сигнал
fht_log_out[i] = (float)fht_log_out[i] * INPUT_GAIN;
// уменьшаем громкость высоких частот (пропорционально частоте) если включено
if (NORMALIZE) fht_log_out[i] = (float)fht_log_out[i] / ((float)1 + (float)i / 128);
}
maxValue = 0;
FastLED.clear(); // очистить матрицу
for (byte pos = 0; pos < WIDTH; pos++) { // для кажого столбца матрицы
int posLevel = fht_log_out[posOffset[pos]];
byte linesBetween;
if (pos > 0 && pos < WIDTH) {
linesBetween = posOffset[pos] - posOffset[pos - 1];
for (byte i = 0; i < linesBetween; i++) { // от предыдущей полосы до текущей
posLevel += (float) ((float)i / linesBetween) * fht_log_out[posOffset[pos] - linesBetween + i];
}
linesBetween = posOffset[pos + 1] - posOffset[pos];
for (byte i = 0; i < linesBetween; i++) { // от предыдущей полосы до текущей
posLevel += (float) ((float)i / linesBetween) * fht_log_out[posOffset[pos] + linesBetween - i];
}
}
// найти максимум из пачки тонов
if (posLevel > maxValue) maxValue = posLevel;
// фильтрация длины столбиков, для их плавного движения
posLevel = posLevel * SMOOTH + posLevel_old[pos] * (1 - SMOOTH);
posLevel_old[pos] = posLevel;
// преобразовать значение величины спектра в диапазон 0..HEIGHT с учётом настроек
posLevel = map(posLevel, LOW_PASS, gain, 0, HEIGHT);
posLevel = constrain(posLevel, 0, HEIGHT);
if (posLevel > 0) {
for (int j = 0; j < posLevel; j++) { // столбцы
uint32_t color;
if (j < 5) color = COLOR1;
else if (j < 10) color = COLOR2;
else if (j < 13) color = COLOR3;
else if (j < 15) color = COLOR4;
if (pos % 2 != 0) // если чётная строка
leds[pos * WIDTH + j] = color; // заливаем в прямом порядке
else // если нечётная
leds[pos * WIDTH + WIDTH - j - 1] = color; // заливаем в обратном порядке
}
}
if (posLevel > 0 && posLevel > maxLevel[pos]) { // если для этой полосы есть максимум, который больше предыдущего
maxLevel[pos] = posLevel; // запомнить его
timeLevel[pos] = millis(); // запомнить время
}
// если точка максимума выше нуля (или равна ему) - включить пиксель
if (maxLevel[pos] >= 0 && MAX_DOTS) {
if (pos % 2 != 0) // если чётная строка
leds[pos * WIDTH + maxLevel[pos]] = MAX_COLOR; // заливаем в прямом порядке
else // если нечётная
leds[pos * WIDTH + WIDTH - maxLevel[pos] - 1] = MAX_COLOR; // заливаем в обратном порядке
}
if (fallFlag) { // если падаем на шаг
if ((long)millis() - timeLevel[pos] > FALL_PAUSE) { // если максимум держался на своей высоте дольше FALL_PAUSE
if (maxLevel[pos] >= 0) maxLevel[pos]--; // уменьшить высоту точки на 1
// внимание! Принимает минимальное значение -1 !
}
}
}
FastLED.show(); // отправить на матрицу
fallFlag = 0; // сбросить флаг падения
if (millis() - fallTimer > FALL_DELAY) { // если настало время следующего падения
fallFlag = 1; // поднять флаг
fallTimer = millis();
}
// если разрешена ручная настройка уровня громкости
if (MANUAL_GAIN) gain = map(analogRead(POT_PIN), 0, 1023, 0, 150);
// если разрешена авто настройка уровня громкости
if (AUTO_GAIN) {
if (millis() - gainTimer > 10) { // каждые 10 мс
maxValue_f = maxValue * k + maxValue_f * (1 - k);
// если максимальное значение больше порога, взять его как максимум для отображения
if (maxValue_f > LOW_PASS) gain = (float) MAX_COEF * maxValue_f;
// если нет, то взять порог побольше, чтобы шумы вообще не проходили
else gain = 100;
gainTimer = millis();
}
}
}
}
void analyzeAudio() {
for (int i = 0 ; i < FHT_N ; i++) {
int sample = analogRead(AUDIO_IN);
fht_input[i] = sample; // put real data into bins
}
fht_window(); // window the data for better frequency response
fht_reorder(); // reorder the data before doing the fht
fht_run(); // process the data in the fht
fht_mag_log(); // take the output of the fht
}
/*
Алгоритм работы:
Анализ спектра, на выходе имеем массив величин полос спектра (128 полос)
Фильтрация по нижним значениям для каждой полосы (128 полос)
Переход от 128 полос к 16 полосам с сохранением межполосных значений по линейной зависимости
Поиск максимумов для коррекции высоты столбиков на матрице
Перевод чистого "веса" полосы к высоте матрицы
Отправка полос на матрицу
Расчёт позиций точек максимума и отправка их на мтарицу
Мимоходом фильтрация верхних пиков, коррекция высоты столбиков от громкости и прочее
*/[/code]