【转】在单片机上运行USB Audio实现MATLAB简单虚拟示波器

只看该作者 · 2016-12-25 13:01

传统上有个实现简单示波器的方式是用电脑的声卡来采集信号。通常这种方法有两个毛病：一是并不知道具体的电压值；二是声卡输入级是有滤波器的，对低频信号影响尤其明显。

现在用单片机来实现一个USB声卡已经很容易了，上面两个问题都可以克服。

USB Audio 的实现

简单的方法是用mbed。

mbed基本操作不细谈，当下的开发者起码应该了解一下mbed能做什么吧。因为虽然mbed能实现的并不多，但只要能实现，基本就是秒写。

首先需要一个支持USB Device的mbed兼容的板子。最基本的包括LPC1768系、LPC11Uxx系、FRDM系和EFM32系，其他可以在这里看到列表：
https://developer.mbed.org/platforms/?connectivity=10
这里安利一下LPC11U35，这货自带USB ISP所以配合mbed下程序很方便，同时基本的外设和ADC、USB Device都是有的。

我用的是mbed LPC1768。

直接导入这个工程：
https://developer.mbed.org/users/K_O_Carnivist/code/USBAudioOscilloscope/

代码也就20行，没有理解难度。

加载mbed基本库和USB Device：

#include "mbed.h"#include "USBAudio.h"

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定义音频接口的采样率、通道数，定义缓冲大小：

#define FREQ 48000#define NUMBER_CHANNEL 2#define LENGTH_AUDIO_PACKET (FREQ / 500) * NUMBER_CHANNEL

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建立一个USBAudio对象：

USBAudio audio(FREQ, NUMBER_CHANNEL, FREQ, NUMBER_CHANNEL, 0xab45, 0x0378);

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建立两个AnalogIn对象，用于ADC输入模拟量，这里构造函数的参数是引脚号，根据板子的不同要做对应的修改：

AnalogIn pot0(p17);AnalogIn pot1(p18);

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为音频数据开缓冲：

int16_t buf_in[LENGTH_AUDIO_PACKET/sizeof(int16_t)][2];int16_t buf_out[LENGTH_AUDIO_PACKET/sizeof(int16_t)][2];

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主函数中只有一个大循环，里面的程序是读取两个ADC的值，将这个值赋给输出缓冲区的左、右声道的所有变量，再把USB数据流的地址指定到缓冲区上：

int main() { while (1) { int16_t analog_input[2] = {pot0.read_u16() / 64, pot1.read_u16() / 64}; for (int i = 0; i < LENGTH_AUDIO_PACKET/sizeof(int16_t); i++) { buf_out[0] = analog_input[0]; buf_out[1] = analog_input[1]; } audio.readWrite((uint8_t *)buf_in, (uint8_t *)buf_out); }}
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完。成。了。
烧写到单片机后连接USB线，电脑端显示一个名叫“Mbed Audio”的USB声卡。
这段程序的缺点还是很明显的：缓冲区刷新和USB发包不同步，会造成帧撕裂。因此它只适合看直流和低频变化，及其长时间采集存储。
实际上我也经常用另外一个用ST库写的严谨的USB音频设备程序^_^。
电脑端数据的读取
电脑端读取声卡数据的方式就很多了。各种录音软件，另外也有不少做成示波器界面的专用软件。
这里我想把数据读到MATLAB里后续还要存储处理。
其实32位Windows系统里的MATLAB是有个softscope可以用的，可惜我是64位……
这里需要装Data Acquisition Toolbox，并用Support Package Installer装一个DirectSound的扩展包。
全部代码如下，运行于MATLAB 2015a和Windows 7 64位：
%% Plot Continuous Data from Audio Input% This program acquire data from an audio input (e.g. Mbed Audio) and% display them on an axis continuously.% Data Acquisition Toolbox and DirectSound Support Package are needed.%% Select a Sound Device% List all sound devices available in the system.d = daq.getDevices%% % Search for mbed sound card.for dev_index = 1:length(d) if strcmp(d(dev_index).Model, 'Microphone (2- Mbed Audio)') dev = d(dev_index) break; endend%% Create an Audio Session% Create a session with directsound as the vendor and add an audio input% channel to it.% Prepare session for continuous operation.s = daq.createSession('directsound');addAudioInputChannel(s, dev.ID, 1:2);s.IsContinuous = true%% Set up the Plot for Live Input.hf = figure;hp = plot(zeros(1000,2));T = title('Audio Plot');xlabel('Time (ms)');ylabel('Voltage');axis([0 1000 0 3.3]);legend('Channel 1', 'Channel 2');grid on;%% Add DataAvailable listener% Listener updates the figure with the live input signal.plotData = @(src, event) ({ ... set(hp(1), 'ydata', event.Data(:, 1) * 3.3, 'xdata', (1:length(event.Data))' / src.Rate * 1000), ... set(hp(2), 'ydata', event.Data(:, 2) * 3.3, 'xdata', (1:length(event.Data))' / src.Rate * 1000), ... axis([0 length(event.Data)/src.Rate*1000 -5 5]), ... drawnow ... });hl = addlistener(s, 'DataAvailable', plotData);%% Start acquisition% Observe that the figure updates.startBackground(s);%% Stop the Session% Wait for 10 seconds while continuing to acquire data.pause(10);% Stop the session.stop(s);s.IsContinuous = false;delete(hl);
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中间'Microphone (2- Mbed Audio)'那一段可能需要根据实际设备名做改动。
总体来说这段代码的执行效果是利用DirectSound连续采集音频数据，每隔100ms（默认值）触发DataAvailable事件，事件执行plotData那段匿名函数，更新图线的数据。共执行10秒后停止更新。我对匿名函数不太熟悉，如果这里报错的话，可以把它拉出来单独一个m文件。
d = daq.getDevices之后如果没有列出DirectSound设备，说明需要安装支持包，详见这段开头。
这段代码可以用MATLAB的publish功能的哈，很好玩。
结果
单片机引脚输入周期为10ms的方波，得到的连续刷新的图形。
进一步可以在每次事件触发时保存数据，并做更长时间的绘图及数据处理。