CH32V003，自带运放、SPI、PWM等外设模块，关键还便宜，便宜，便宜！

可以尝试来实现一个低成本的音乐谱显示。

1. 硬件设计

显示方面，使用64颗ws2812组成8*8的显示阵列，通过 CH32V003 的SPI模拟ws2812的时序进行驱动。

音频采集，使用CH32V003内部运放+麦克风即可。

整体硬件原理图如下：

2. SPI 驱动 ws2812

2.1 ws2812 简介

ws2812 将控制电路和RGB灯集成在一个封装中，通过级联，MCU使用 800Kbps 单线通讯即可完成 30fps 下1024个ws2812灯的控制。

通讯协议如下：

不同厂家生产的 ws2812 时序可能有区别，不过一般在误差范围内都可以识别。

2.2 SPI+DMA模拟ws2812时序

通过上一节对 ws2812 时序的介绍，完成一个 ws2812 控制需要发送 24bit GRB 的颜色数据，比特率为 800Kbps。

为了可以使用 SPI 模拟 ws2812 的时序，需要将 GRB 颜色数据中每 1 个 bit 膨胀为 4 个 bit，即：

  • 1 表示为：1110
  • 0 表示为：1000

这样 0 bit 中高电平约占 1/4，低电平约占 3/4。1 bit 中高电平约占 3/4，低电平约占 1/4。符合通讯协议。

此时，驱动一个 ws2812，SPI MOSI 引脚需要发送 4 x 24 bits = 12 Bytes。SPI 的时钟频率设置为 800 x 4 = 3.2MHz 左右。

CH32V003 主频设置为 48MHz， SPI 设置 16 分频，为 3MHz，在误差范围内，实测可以正常驱动WS2812。

代码如下：

/**

 * @brief

 *

 * @param ws2812_bit_buffer

 * @param ws2812_byte_buffer

 *

 *  1bit 膨胀位 4bit

 *  1：1110

 *  0：1000

 */

void ws2812_set_grb(ws2812_bit_buffer_t *ws2812_bit_buffer, ws2812_byte_buffer_t *ws2812_byte_buffer)

{

    ws2812_byte_buffer_t ws2812_color_data =

    {

        .green = ws2812_byte_buffer->green,

        .red   = ws2812_byte_buffer->red,

        .blue  = ws2812_byte_buffer->blue

    };

    for(uint8_t i = 0; i<4; i++)

    {

        ws2812_bit_buffer->green >>= 8;

        ws2812_bit_buffer->red   >>= 8;

        ws2812_bit_buffer->blue  >>= 8;

        /**

         * @brief

         * 每 2 bit 的 RGB 数据膨胀为 1byte 的 spi 数据

         * 每个 byte 中，第 8bit 和第 3bit 位固定为 1，第 4bit 和第 0bit 位固定为 0，剩余 bit 根据颜色值设定

         */

        ws2812_bit_buffer->green |= ( 0x88 | ((ws2812_color_data.green & 0x80)>>1) | ((ws2812_color_data.green & 0x80)>>2)| \

                                             ((ws2812_color_data.green & 0x40)>>4) | ((ws2812_color_data.green & 0x40)>>5) )<<24;

        ws2812_bit_buffer->red   |= ( 0x88 | ((ws2812_color_data.red & 0x80)>>1)   | ((ws2812_color_data.red & 0x80)>>2)| \

                                             ((ws2812_color_data.red & 0x40)>>4)   | ((ws2812_color_data.red & 0x40)>>5) )<<24;

        ws2812_bit_buffer->blue  |= ( 0x88 | ((ws2812_color_data.blue & 0x80)>>1)  | ((ws2812_color_data.blue & 0x80)>>2)| \

                                             ((ws2812_color_data.blue & 0x40)>>4)  | ((ws2812_color_data.blue & 0x40)>>5) )<<24;

        ws2812_color_data.green <<= 2;

        ws2812_color_data.red   <<= 2;

        ws2812_color_data.blue  <<= 2;

    }

}

MOSI 输出时序如下：

时序模拟正确后，就可以将需要显示的颜色数据准备好，通过DMA+SPI推出去即可。

2.3 将 HSV 转化为 RGB

HSV 表达彩色图像的方式由三个部分组成：

  • Hue（色调、色相）。Hue 用角度度量，取值范围为0～360°，表示色彩信息，即所处的光谱颜色的位置。如Hue=0 表示红色，Hue=120 表示绿色，Hue=240 表示蓝色等等
  • Saturation（饱和度、色彩纯净度）。饱和度表示颜色接近光谱色的程度。饱和度越高，说明颜色越深，越接近光谱色饱和度越低，说明颜色越浅，越接近白色。饱和度为0表示纯白色。取值范围为0～100%，值越大，颜色越饱和。
  • Value（明度）。 明度决定颜色空间中颜色的明暗程度，明度越高，表示颜色越明亮，范围是 0-100%。明度为0表示纯黑色（此时颜色最暗）。

HSV 转化成 RGB 的方法如下：

:::tip参考wiki

:::

因为HSV使用起来更加直观、方便，所以代码逻辑部分通常使用 HSV。但WS2812B 灯珠的驱动使用的是RGB，所以需要进行转换。

参考代码如下：

/**

 * @brief 将HSV颜色空间转换为RGB颜色空间

 *

 * @param  h HSV颜色空间的H：色调。单位°，范围0~360。（Hue 调整颜色，0°-红色，120°-绿色，240°-蓝色，以此类推）

 * @param  s HSV颜色空间的S：饱和度。单位%，范围0~100。（Saturation 饱和度高，颜色深而艳；饱和度低，颜色浅而发白）

 * @param  v HSV颜色空间的V：明度。单位%，范围0~100。（Value 控制明暗，明度越高亮度越亮，越低亮度越低）

 * @param  rgb_buffer RGB值的指针

 *

 * Wiki: https://en.wikipedia.org/wiki/HSL_and_HSV

 *

 */

void ws2812_hsv2rgb(uint32_t h, uint32_t s, uint32_t v, ws2812_byte_buffer_t *rgb_buffer)

{

    h %= 360; // h -> [0,360]

    uint32_t rgb_max = v * 2.55f;

    uint32_t rgb_min = rgb_max * (100 - s) / 100.0f;

    uint32_t i = h / 60;

    uint32_t diff = h % 60;

    // RGB adjustment amount by hue

    uint32_t rgb_adj = (rgb_max - rgb_min) * diff / 60;

    switch (i) {

    case 0:

        rgb_buffer->red = rgb_max;

        rgb_buffer->green = rgb_min + rgb_adj;

        rgb_buffer->blue = rgb_min;

        break;

    case 1:

        rgb_buffer->red = rgb_max - rgb_adj;

        rgb_buffer->green = rgb_max;

        rgb_buffer->blue = rgb_min;

        break;

    case 2:

        rgb_buffer->red = rgb_min;

        rgb_buffer->green = rgb_max;

        rgb_buffer->blue = rgb_min + rgb_adj;

        break;

    case 3:

        rgb_buffer->red = rgb_min;

        rgb_buffer->green = rgb_max - rgb_adj;

        rgb_buffer->blue = rgb_max;

        break;

    case 4:

        rgb_buffer->red = rgb_min + rgb_adj;

        rgb_buffer->green = rgb_min;

        rgb_buffer->blue = rgb_max;

        break;

    default:

        rgb_buffer->red = rgb_max;

        rgb_buffer->green = rgb_min;

        rgb_buffer->blue = rgb_max - rgb_adj;

        break;

    }

}

使用HSV，可以轻松实现呼吸灯的效果：

3. 麦克风采集音频

3.1 OPA+ADC+DMA 采集音频

因为 CH32V003 内部自带 OPA 运放，所以外围只需接上麦克风，搭好放大电路，即可开启 ADC 采集数据。

考虑到平常我们听到的音乐频率一般都低于5KHz，所以将 ADC 的采样频率设置为10KHz。

ADC 通过定时器 TRGO 事件触发采集。

启用 DMA 搬运 ADC 采集结果。

3.2 FFT 分析频谱

音乐谱，最重要的还得分析出频谱，这时候就得靠 FFT 了，参考了网上大牛的超简洁 FFT 算法，代码如下：

点击查看代码 
/* fix_fft.c - Fixed-point in-place Fast Fourier Transform  */

/*

  All data are fixed-point short integers, in which -32768

  to +32768 represent -1.0 to +1.0 respectively. Integer

  arithmetic is used for speed, instead of the more natural

  floating-point.

  For the forward FFT (time -> freq), fixed scaling is

  performed to prevent arithmetic overflow, and to map a 0dB

  sine/cosine wave (i.e. amplitude = 32767) to two -6dB freq

  coefficients. The return value is always 0.

  For the inverse FFT (freq -> time), fixed scaling cannot be

  done, as two 0dB coefficients would sum to a peak amplitude

  of 64K, overflowing the 32k range of the fixed-point integers.

  Thus, the fix_fft() routine performs variable scaling, and

  returns a value which is the number of bits LEFT by which

  the output must be shifted to get the actual amplitude

  (i.e. if fix_fft() returns 3, each value of fr[] and fi[]

  must be multiplied by 8 (2**3) for proper scaling.

  Clearly, this cannot be done within fixed-point short

  integers. In practice, if the result is to be used as a

  filter, the scale_shift can usually be ignored, as the

  result will be approximately correctly normalized as is.

  Written by:  Tom Roberts  11/8/89

  Made portable:  Malcolm Slaney 12/15/94 malcolm@interval.com

  Enhanced:  Dimitrios P. Bouras  14 Jun 2006 dbouras@ieee.org

*/

#include "fix_fft.h"

#define N_WAVE      1024    /* full length of Sinewave[] */

#define LOG2_N_WAVE 10      /* log2(N_WAVE) */

/*

  Henceforth "short" implies 16-bit word. If this is not

  the case in your architecture, please replace "short"

  with a type definition which *is* a 16-bit word.

*/

/*

  Since we only use 3/4 of N_WAVE, we define only

  this many samples, in order to conserve data space.

*/

const int16_t Sinewave[N_WAVE-N_WAVE/4] = {

      0,    201,    402,    603,    804,   1005,   1206,   1406,

   1607,   1808,   2009,   2209,   2410,   2610,   2811,   3011,

   3211,   3411,   3611,   3811,   4011,   4210,   4409,   4608,

   4807,   5006,   5205,   5403,   5601,   5799,   5997,   6195,

   6392,   6589,   6786,   6982,   7179,   7375,   7571,   7766,

   7961,   8156,   8351,   8545,   8739,   8932,   9126,   9319,

   9511,   9703,   9895,  10087,  10278,  10469,  10659,  10849,

  11038,  11227,  11416,  11604,  11792,  11980,  12166,  12353,

  12539,  12724,  12909,  13094,  13278,  13462,  13645,  13827,

  14009,  14191,  14372,  14552,  14732,  14911,  15090,  15268,

  15446,  15623,  15799,  15975,  16150,  16325,  16499,  16672,

  16845,  17017,  17189,  17360,  17530,  17699,  17868,  18036,

  18204,  18371,  18537,  18702,  18867,  19031,  19194,  19357,

  19519,  19680,  19840,  20000,  20159,  20317,  20474,  20631,

  20787,  20942,  21096,  21249,  21402,  21554,  21705,  21855,

  22004,  22153,  22301,  22448,  22594,  22739,  22883,  23027,

  23169,  23311,  23452,  23592,  23731,  23869,  24006,  24143,

  24278,  24413,  24546,  24679,  24811,  24942,  25072,  25201,

  25329,  25456,  25582,  25707,  25831,  25954,  26077,  26198,

  26318,  26437,  26556,  26673,  26789,  26905,  27019,  27132,

  27244,  27355,  27466,  27575,  27683,  27790,  27896,  28001,

  28105,  28208,  28309,  28410,  28510,  28608,  28706,  28802,

  28897,  28992,  29085,  29177,  29268,  29358,  29446,  29534,

  29621,  29706,  29790,  29873,  29955,  30036,  30116,  30195,

  30272,  30349,  30424,  30498,  30571,  30643,  30713,  30783,

  30851,  30918,  30984,  31049,  31113,  31175,  31236,  31297,

  31356,  31413,  31470,  31525,  31580,  31633,  31684,  31735,

  31785,  31833,  31880,  31926,  31970,  32014,  32056,  32097,

  32137,  32176,  32213,  32249,  32284,  32318,  32350,  32382,

  32412,  32441,  32468,  32495,  32520,  32544,  32567,  32588,

  32609,  32628,  32646,  32662,  32678,  32692,  32705,  32717,

  32727,  32736,  32744,  32751,  32757,  32761,  32764,  32766,

  32767,  32766,  32764,  32761,  32757,  32751,  32744,  32736,

  32727,  32717,  32705,  32692,  32678,  32662,  32646,  32628,

  32609,  32588,  32567,  32544,  32520,  32495,  32468,  32441,

  32412,  32382,  32350,  32318,  32284,  32249,  32213,  32176,

  32137,  32097,  32056,  32014,  31970,  31926,  31880,  31833,

  31785,  31735,  31684,  31633,  31580,  31525,  31470,  31413,

  31356,  31297,  31236,  31175,  31113,  31049,  30984,  30918,

  30851,  30783,  30713,  30643,  30571,  30498,  30424,  30349,

  30272,  30195,  30116,  30036,  29955,  29873,  29790,  29706,

  29621,  29534,  29446,  29358,  29268,  29177,  29085,  28992,

  28897,  28802,  28706,  28608,  28510,  28410,  28309,  28208,

  28105,  28001,  27896,  27790,  27683,  27575,  27466,  27355,

  27244,  27132,  27019,  26905,  26789,  26673,  26556,  26437,

  26318,  26198,  26077,  25954,  25831,  25707,  25582,  25456,

  25329,  25201,  25072,  24942,  24811,  24679,  24546,  24413,

  24278,  24143,  24006,  23869,  23731,  23592,  23452,  23311,

  23169,  23027,  22883,  22739,  22594,  22448,  22301,  22153,

  22004,  21855,  21705,  21554,  21402,  21249,  21096,  20942,

  20787,  20631,  20474,  20317,  20159,  20000,  19840,  19680,

  19519,  19357,  19194,  19031,  18867,  18702,  18537,  18371,

  18204,  18036,  17868,  17699,  17530,  17360,  17189,  17017,

  16845,  16672,  16499,  16325,  16150,  15975,  15799,  15623,

  15446,  15268,  15090,  14911,  14732,  14552,  14372,  14191,

  14009,  13827,  13645,  13462,  13278,  13094,  12909,  12724,

  12539,  12353,  12166,  11980,  11792,  11604,  11416,  11227,

  11038,  10849,  10659,  10469,  10278,  10087,   9895,   9703,

   9511,   9319,   9126,   8932,   8739,   8545,   8351,   8156,

   7961,   7766,   7571,   7375,   7179,   6982,   6786,   6589,

   6392,   6195,   5997,   5799,   5601,   5403,   5205,   5006,

   4807,   4608,   4409,   4210,   4011,   3811,   3611,   3411,

   3211,   3011,   2811,   2610,   2410,   2209,   2009,   1808,

   1607,   1406,   1206,   1005,    804,    603,    402,    201,

      0,   -201,   -402,   -603,   -804,  -1005,  -1206,  -1406,

  -1607,  -1808,  -2009,  -2209,  -2410,  -2610,  -2811,  -3011,

  -3211,  -3411,  -3611,  -3811,  -4011,  -4210,  -4409,  -4608,

  -4807,  -5006,  -5205,  -5403,  -5601,  -5799,  -5997,  -6195,

  -6392,  -6589,  -6786,  -6982,  -7179,  -7375,  -7571,  -7766,

  -7961,  -8156,  -8351,  -8545,  -8739,  -8932,  -9126,  -9319,

  -9511,  -9703,  -9895, -10087, -10278, -10469, -10659, -10849,

 -11038, -11227, -11416, -11604, -11792, -11980, -12166, -12353,

 -12539, -12724, -12909, -13094, -13278, -13462, -13645, -13827,

 -14009, -14191, -14372, -14552, -14732, -14911, -15090, -15268,

 -15446, -15623, -15799, -15975, -16150, -16325, -16499, -16672,

 -16845, -17017, -17189, -17360, -17530, -17699, -17868, -18036,

 -18204, -18371, -18537, -18702, -18867, -19031, -19194, -19357,

 -19519, -19680, -19840, -20000, -20159, -20317, -20474, -20631,

 -20787, -20942, -21096, -21249, -21402, -21554, -21705, -21855,

 -22004, -22153, -22301, -22448, -22594, -22739, -22883, -23027,

 -23169, -23311, -23452, -23592, -23731, -23869, -24006, -24143,

 -24278, -24413, -24546, -24679, -24811, -24942, -25072, -25201,

 -25329, -25456, -25582, -25707, -25831, -25954, -26077, -26198,

 -26318, -26437, -26556, -26673, -26789, -26905, -27019, -27132,

 -27244, -27355, -27466, -27575, -27683, -27790, -27896, -28001,

 -28105, -28208, -28309, -28410, -28510, -28608, -28706, -28802,

 -28897, -28992, -29085, -29177, -29268, -29358, -29446, -29534,

 -29621, -29706, -29790, -29873, -29955, -30036, -30116, -30195,

 -30272, -30349, -30424, -30498, -30571, -30643, -30713, -30783,

 -30851, -30918, -30984, -31049, -31113, -31175, -31236, -31297,

 -31356, -31413, -31470, -31525, -31580, -31633, -31684, -31735,

 -31785, -31833, -31880, -31926, -31970, -32014, -32056, -32097,

 -32137, -32176, -32213, -32249, -32284, -32318, -32350, -32382,

 -32412, -32441, -32468, -32495, -32520, -32544, -32567, -32588,

 -32609, -32628, -32646, -32662, -32678, -32692, -32705, -32717,

 -32727, -32736, -32744, -32751, -32757, -32761, -32764, -32766,

};

/*

  FIX_MPY() - fixed-point multiplication & scaling.

  Substitute inline assembly for hardware-specific

  optimization suited to a particluar DSP processor.

  Scaling ensures that result remains 16-bit.

*/

int16_t FIX_MPY(int16_t a, int16_t b)

{

	/* shift right one less bit (i.e. 15-1) */

	int c = ((int)a * (int)b) >> 14;

	/* last bit shifted out = rounding-bit */

	b = c & 0x01;

	/* last shift + rounding bit */

	a = (c >> 1) + b;

	return a;

}

/*

  fix_fft() - perform forward/inverse fast Fourier transform.

  fr[n],fi[n] are real and imaginary arrays, both INPUT AND

  RESULT (in-place FFT), with 0 <= n < 2**m; set inverse to

  0 for forward transform (FFT), or 1 for iFFT.

*/

int fix_fft(int16_t fr[], int16_t fi[], int16_t m, int16_t inverse)

{

	int16_t mr, nn, i, j, l, k, istep, n, scale, shift;

	int16_t qr, qi, tr, ti, wr, wi;

	n = 1 << m;

	/* max FFT size = N_WAVE */

	if (n > N_WAVE)

		return -1;

	mr = 0;

	nn = n - 1;

	scale = 0;

	/* decimation in time - re-order data */

	for (m=1; m<=nn; ++m) {

		l = n;

		do {

			l >>= 1;

		} while (mr+l > nn);

		mr = (mr & (l-1)) + l;

		if (mr <= m)

			continue;

		tr = fr[m];

		fr[m] = fr[mr];

		fr[mr] = tr;

		ti = fi[m];

		fi[m] = fi[mr];

		fi[mr] = ti;

	}

	l = 1;

	k = LOG2_N_WAVE-1;

	while (l < n) {

		if (inverse) {

			/* variable scaling, depending upon data */

			shift = 0;

			for (i=0; i<n; ++i) {

				j = fr[i];

				if (j < 0)

					j = -j;

				m = fi[i];

				if (m < 0)

					m = -m;

				if (j > 16383 || m > 16383) {

					shift = 1;

					break;

				}

			}

			if (shift)

				++scale;

		} else {

			/*

			  fixed scaling, for proper normalization --

			  there will be log2(n) passes, so this results

			  in an overall factor of 1/n, distributed to

			  maximize arithmetic accuracy.

			*/

			shift = 1;

		}

		/*

		  it may not be obvious, but the shift will be

		  performed on each data point exactly once,

		  during this pass.

		*/

		istep = l << 1;

		for (m=0; m<l; ++m) {

			j = m << k;

			/* 0 <= j < N_WAVE/2 */

			wr =  Sinewave[j+N_WAVE/4];

			wi = -Sinewave[j];

			if (inverse)

				wi = -wi;

			if (shift) {

				wr >>= 1;

				wi >>= 1;

			}

			for (i=m; i<n; i+=istep) {

				j = i + l;

				tr = FIX_MPY(wr,fr[j]) - FIX_MPY(wi,fi[j]);

				ti = FIX_MPY(wr,fi[j]) + FIX_MPY(wi,fr[j]);

				qr = fr[i];

				qi = fi[i];

				if (shift) {

					qr >>= 1;

					qi >>= 1;

				}

				fr[j] = qr - tr;

				fi[j] = qi - ti;

				fr[i] = qr + tr;

				fi[i] = qi + ti;

			}

		}

		--k;

		l = istep;

	}

	return scale;

}

/*

  fix_fftr() - forward/inverse FFT on array of real numbers.

  Real FFT/iFFT using half-size complex FFT by distributing

  even/odd samples into real/imaginary arrays respectively.

  In order to save data space (i.e. to avoid two arrays, one

  for real, one for imaginary samples), we proceed in the

  following two steps: a) samples are rearranged in the real

  array so that all even samples are in places 0-(N/2-1) and

  all imaginary samples in places (N/2)-(N-1), and b) fix_fft

  is called with fr and fi pointing to index 0 and index N/2

  respectively in the original array. The above guarantees

  that fix_fft "sees" consecutive real samples as alternating

  real and imaginary samples in the complex array.

*/

int fix_fftr(int16_t f[], int m, int inverse)

{

	int i, N = 1<<(m-1), scale = 0;

	int16_t tt, *fr=f, *fi=&f[N];

	if (inverse)

		scale = fix_fft(fi, fr, m-1, inverse);

	for (i=1; i<N; i+=2) {

		tt = f[N+i-1];

		f[N+i-1] = f[i];

		f[i] = tt;

	}

	if (! inverse)

		scale = fix_fft(fi, fr, m-1, inverse);

	return scale;

}

`int fix_fft(short fr[], short fi[], short m, short inverse)` 是 FFT 算法的计算函数，fr[] 是 ADC 采集到信号值的实部，fi[] 是 ADC 采集到信号值的虚部。经过 `fix_fft` 函数处理之后，fr[] 是 FFT 计算所得的实部，fi[] 是计算所得的虚部。

4. 效果演示

:::tip开源

项目开源地址： https://github.com/Taoyukai/ch32v003_ws2812_music

:::

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