Funpack5-3 - 基于MAX32690 EV Kit实时音频频谱分析仪

代码小A2026/2/21大约 11 分钟

Funpack5-3 - 基于MAX32690 EV Kit实时音频频谱分析仪

大家好，我是代码小A
非常荣幸参加由电子森林所举办的Funpack S5 #3 活动

一、项目介绍

本项目使用 MAX32690EVKIT 开发板完成了一个实时音频频谱分析仪：板载 MAX9867 音频编解码器通过 I2C 接口配置，以 16kHz 采样率采集 Line-In 输入的音频信号；主控通过 I2S 从机接口配合 DMA 双缓冲实现连续无阻塞采集；采集到的数据经过自编写的 512 点 FFT（加汉宁窗）处理后，在板载 128×128 ST7735 彩色屏幕上实时显示时域波形和频域频谱，并提取主要频率成分显示在屏幕标题栏，同时通过串口输出帧率、主频峰值和输入电平，方便调试与验证。
完成情况-项目完全满足任务要求：

音频采集：I2C 初始化并配置 MAX9867；采样率 16kHz（任务建议 8~16kHz）；I2S 数字音频接口；DMA 乒乓方式连续采集。
信号处理：自实现基-2 快速傅里叶变换；计算频谱分布；提取主频峰值与幅度信息。
屏幕显示：实时显示时域波形（单周期触发，48 点）与频域频谱（96 根柱状图）；实测刷新率约 30fps，远超 10fps 要求。

二、硬件介绍

MAX32690EVKIT 主控板：搭载 MAX32690 微控制器（ARM Cortex-M4F 内核，最高 100MHz 主频，3MB Flash、1MB SRAM），片上集成 DMA 控制器、I2S、I2C、SPI、UART 等丰富外设，板载 CMSIS-DAP 调试器与 128×128 TFT 彩屏。
MAX9867 音频编解码器：低功耗立体声 Codec，支持 I2C 寄存器配置（7 位地址 0x18），内部 ADC/DAC 完成模拟到数字的转换；项目中配置为 I2S 主模式，由 12.288MHz MCLK 通过 NI 分频产生 16kHz LRCLK 与位时钟，作为音频数据与时钟的来源。
ST7735S 128×128 TFT 显示屏：SPI 接口彩屏，开发板上通过 GPIO 位带模拟 SPI 时序驱动。
测试信号源：手机/电脑音频输出经音频线接入板卡 Line-In 接口；配合自编写的网页信号发生器（Web Audio API）可输出任意频率正弦波、扫频、噪声等测试信号。

三、方案框图与项目设计思路

系统框图如下：

设计思路主要有以下几点：

数据通路解耦：I2S + DMA 在中断中只做缓冲区指针交接，主循环负责 FFT 与显示，保证采集不丢数据；DMA 乒乓双缓冲配合 32 级 ISR 队列，即使显示耗时也能兜底。
自研 FFT，零依赖：512 点基-2 按时间抽取 FFT 自己实现，使用 M4 硬件 FPU（软浮点 ABI 下仍可执行 VFP 指令），不依赖 CMSIS-DSP 库，也不要求切换硬浮点库，避免改动 SDK 构建链。
显示性能优先：采用 128×128 RAM 帧缓冲，先整条渲染再批量推送；同时借鉴参考工程的“局部刷新”思想，按列记录脏区，只把变化的列合并成矩形推送到屏幕，稳定信号时 SPI 流量大幅下降。
可测试性设计：固件内置自测模式（板内生成 1kHz 正弦信号走完整 FFT/绘制链路），并通过串口 dump 屏幕频谱坐标（ypts + ASCII 图），在没有示波器/逻辑分析仪的情况下也能远程验证绘制是否正确。

四、调试软件、软件流程图及关键代码介绍

调试软件

MSDK（Analog Devices MAXIM SDK）：官方嵌入式开发套件，提供外设驱动、BSP 与构建系统，使用自带 GCC 10.3 工具链。
VSCode + OpenOCD + CMSIS-DAP：编写代码、编译、烧录与在线调试。
串口调试助手：115200-8-N-1 查看运行日志与频谱 dump。
自写网页信号发生器（test-tone.html）：基于 Web Audio API，可输出正弦/方波/扫频/白噪声等测试信号，频率与音量滑块实时生效，作为频谱仪的激励源。

软件流程图

关键代码介绍

1) 24 位 I2S 数据解码（易错点）
MAX32690 的 I2S 把 24 位采样左对齐存放在 32 位字的高 24 位，驱动源码 MXC_I2S_RevA_ConfigData 中写入 FIFO 前执行 (sample & 0xFFFFFF) << 8 可证实。因此正确解码是算术右移 8 位：

int32_t l = (int32_t)buf[i] >> 8;
int32_t r = (int32_t)buf[i + 1] >> 8;

之前误用 (buf << 8) >> 8 会把真实音频解成低位噪声，这正是“频谱绘制异常”的根因之一。
2) 自写 512 点 FFT（基-2 按时间抽取）
位反转置换 + 蝶形运算，旋转因子表预计算，完整实现如下：

static void fft_run(float *re, float *im)
{
    uint32_t i, j;
    uint32_t len;

    /* 位反转置换 */
    for (i = 1, j = 0; i < AV_FFT_LEN; i++) {
        uint32_t bit = AV_FFT_LEN >> 1;
        for (; j & bit; bit >>= 1) {
            j ^= bit;
        }
        j ^= bit;
        if (i < j) {
            float tr = re[i]; re[i] = re[j]; re[j] = tr;
            float ti = im[i]; im[i] = im[j]; im[j] = ti;
        }
    }

    /* 蝶形运算 */
    for (len = 2; len <= AV_FFT_LEN; len <<= 1) {
        uint32_t half = len >> 1;
        uint32_t step = AV_FFT_LEN / len;

        for (i = 0; i < AV_FFT_LEN; i += len) {
            for (j = 0; j < half; j++) {
                uint32_t p = i + j;
                uint32_t q = p + half;
                uint32_t t = j * step;
                float xr = re[q] * tw_re[t] - im[q] * tw_im[t];
                float xi = re[q] * tw_im[t] + im[q] * tw_re[t];

                re[q] = re[p] - xr;
                im[q] = im[p] - xi;
                re[p] += xr;
                im[p] += xi;
            }
        }
    }
}

经与朴素 DFT 数值对比，1kHz 正弦精确落在第 32 bin，验证算法正确。
3) 单周期触发波形显示
48 个点如果横跨整帧（512 点 = 32 个 1kHz 周期），每个周期只摊到 1.5 个点，显示为“零散的点”。解决办法：按主频计算周期长度，寻找上升过零点作为触发起点，把 48 个点全部布在一个周期内并做线性插值，得到平滑的单周期正弦：

uint32_t period = AV_FFT_LEN / track_bin;  /* 主频对应的周期采样数 */
uint32_t trig = start;
int found = 0;

if (period < 16)  period = 16;   /* 高频时放宽到至少 16 采样 */
if (period > 400) period = 400;

/* 在最近两个周期内寻找上升过零点作为触发点 */
for (k = 1; k < 2 * period; k++) {
    uint32_t ic = (start - k) & AV_RING_MASK;
    uint32_t ip = (start - k - 1) & AV_RING_MASK;
    if (ring[ip] <= 0.0f && ring[ic] > 0.0f) {
        trig = start - k;
        found = 1;
        break;
    }
}
if (!found) trig = start - period;

/* 一个周期内均匀取 48 点，线性插值 */
for (i = 0; i < AV_WAVEFORM_POINTS; i++) {
    float pos = (float)trig +
                (float)i * ((float)period / (AV_WAVEFORM_POINTS - 1));
    uint32_t i0 = (uint32_t)pos & AV_RING_MASK;
    uint32_t i1 = (i0 + 1) & AV_RING_MASK;
    float frac = pos - (float)(uint32_t)pos;
    float v = ring[i0] * (1.0f - frac) + ring[i1] * frac;

    wave_smooth[i] = AV_WAVE_SMOOTH_ALPHA * wave_smooth[i] +
                     (1.0f - AV_WAVE_SMOOTH_ALPHA) * v;
}

4) 脏列局部刷新
每帧渲染完成后对比上一帧坐标，只有变化的列才发送到屏幕，连续变化的列合并为一个矩形批量写入；变化超过 75% 时退化为整条刷新：

static void push_strip_partial(int y0, int h, const uint8_t *dirty)
{
    int x, count = 0;

    for (x = 0; x < AV_SCR_W; x++) {
        count += dirty[x];
    }
    if (count == 0) {
        return;  /* 本帧无变化，完全不发 SPI 数据 */
    }
    if (count > AV_SCR_W * 3 / 4) {
        push_area(y0, h);  /* 变化过多时整条推送 */
        return;
    }

    x = 0;
    while (x < AV_SCR_W) {
        while (x < AV_SCR_W && !dirty[x]) x++;
        if (x >= AV_SCR_W) break;
        int xs = x;
        while (x < AV_SCR_W && dirty[x]) x++;
        push_area_cols(y0, h, xs, x - 1);  /* 连续脏列合并为一个矩形 */
    }
}

稳态信号下每帧 SPI 数据量从约 29KB 降至几 KB。
5) MAX9867 写寄存器延时补丁

err = MXC_I2C_MasterTransaction(&i2c_req);
if (err) printf("I2C Write Error! Reg: 0x%02X, Code: %d\n", reg, err);
MXC_Delay(200);   // 等待 Codec 处理完上一条命令
return err;

MAX9867 连续写寄存器时内部需要处理时间，可能拉低 SCL（时钟拉伸），而 MSDK 的阻塞 I2C 事务没有超时，会永久等待；每次写后延时 200µs 即可稳定规避。

五、功能展示图及说明

电脑/手机音频输出通过音频线接入 EV Kit 的 Line-In，USB 线连接电脑供电与 CMSIS-DAP 调试。
屏幕显示效果

屏幕上部分为青色单周期波形曲线（自动增益，正弦波饱满清晰），下部分为绿色频谱柱状图（96 根，线性频率轴），标题栏右上角显示主频（如 3000Hz），主频柱顶有红色标记。
串口实测输出（自测模式，板内 1kHz 正弦）

***** MAX32690 Audio Spectrum Analyzer *****
Sample rate: 16000 Hz, FFT: 512 points
Running...
TFT initialized successfully
Analyzing...
[Stats] FPS=31.2 Peak=1000Hz Lvl=-12dB
=== SPECTRUM DUMP ===
[DUMP] peak_hz=1000 scale_max=26.6 floor=13.4 sig_peak_db=-12.0 sig_rms_db=-15.0
[DUMP] ypts: 119 119 ... 8 7 28 ... 119
=== DUMP END ===

dump 中的 ypts 表示屏幕频谱折线上每个显示点的纵坐标，与理论计算值（1kHz 主峰位置、汉宁窗 ±1 bin 的 -6dB 旁瓣）完全吻合，验证了采集、FFT、归一化、绘制的整条链路。
网页信号发生器

自写测试网页支持 1kHz/440Hz/3kHz 正弦、双音、扫频、白/粉红噪声等预设，主频率与音量滑块实时生效；配合板卡可快速验证不同频率下的波形周期与频谱位置。

六、项目中遇到的难题及解决方法

难题 1：频谱所有柱都很高，1kHz 正弦的峰值在 1k/3k/5k/7kHz 之间乱跳。
两个原因叠加：一是 24 位 I2S 数据对齐理解错误导致解码出噪声；二是输入信号削波，1kHz 被削成近似方波产生奇次谐波。解决：修正解码为 (int32_t)buf >> 8；降低 Codec ADC 增益（-12dB）与网页默认音量；峰值检测增加锁定机制（候选频点需连续 3 帧强于当前锁定频点 1.5 倍才切换）。
难题 2：刷新率只有 7.8fps，屏幕卡顿。
瓶颈在 GPIO 位带模拟 SPI：每个字节要经过两个空转延时循环。解决：在工程内覆盖 board.c，删除两个延时循环（ST7735 最小写周期约 66ns，删除后每 bit 仍约 100ns，时序在规格内），位带 SPI 提速约 3 倍；配合帧缓冲整条推送，实测 FPS 提升到 31。
难题 3：如何在没有示波器的情况下验证屏幕绘制是否正确。
为固件增加自测模式与串口 dump：板内生成已知频率正弦信号，跑完整 FFT 与绘制管线，再把屏幕上每个显示点的纵坐标与 ASCII 示意图通过串口输出。将 dump 结果与理论计算对比，即可远程确认整条链路正确。

七、心得体会

本次项目让我对“从采集到显示”的完整音频链路有了系统认识：I2C 配置编解码器、I2S 时序与数据对齐、DMA 连续采集、FFT 频谱分析、小屏显示性能优化，每一环都可能成为瓶颈。
显示优化方面，我实践了几种思路的取舍：全量帧缓冲刷新简单可靠但 SPI 带宽吃紧；参考工程的分段局部刷新更聪明但逐像素发窗口命令反而更慢；最终采用“帧缓冲渲染 + 脏列合并推送”，兼顾了简单性与性能，实测约 30fps。性能优化不是盲目堆技巧，而是要找到真正的瓶颈（这里就是位带 SPI 的延时循环）。
最后，测试工具先行也让我受益匪浅：自测模式 + 串口 dump 让屏幕绘制结果“可量化、可对比”，网页信号发生器让激励信号可控可重复。这套方法不仅解决了本次项目的验证问题，也值得沿用到以后的嵌入式项目中。