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第三十二章 音频FFT实验
本章将介绍CanMV下FFT的应用，通过将时域采集到的音频数据通过FFT为频域。通过本章的学习，读者将学习到CanMV下控制FFT加速器进行FFT的使用。 本章分为如下几个小节： 32.1 maix.FFT模块介绍 32.2 硬件设计 32.3 程序设计 32.4 运行验证
32.1 maix.FFT模块介绍 Kendryte K210片上拥有一个FFT Accelerator（快速傅里叶变换加速器）可以实现以硬件的方式对FFT的基2时分运算加速，Kendryte K210上的FFT Accelerator特点如下所示： 1. 支持多种运算长度，即支持64点、128点、256点以及512点运算 2. 支持两种运算模式，即FFT以及IFFT运算 3. 支持可配的输入数据宽度，即支持32bit以及64bit输入 4. 支持可配的输入数据排列方式，即支持虚部、实部交替，纯实部以及实部、虚部分离三种数据排列方式 5. 支持可配的数据搬运方式，即CPU搬运和DMA搬运 在CanMV中可以使用CanMV提供的maix.FFT模块操作Kendryte K210上的FFT Accelerator。maix.FFT模块可以对输入数据进行傅里叶变换并返回相应的频率幅值，可以将时域信号转换为频域信号。 maix.FFT模块提供了run()函数，用于对输入的时域数据进行FFT，run()函数如下所示： FFT.run(byte=None, points=64, shift=0, direction=1) run()函数用于对输入的时域数据进行FFT，运算过程会自动调用硬件上的FFT Accelerator，并会同时占用DMAC Channel3和DMAC Channel4。 byte指的是输入的时域数据，需要为bytearray类型。 points指的是FFT的运算长度，可以是64、128、256或512，默认为64。 shift指的是偏移，默认为0。 direction指的是运算模式，当为1时，为FFT，当为0时，是IFFT。 run()函数会返回一个list对象，表示计算后的频域数据，list有points个元组，每个元组都有2个元素，第一个元素为实部，第二个元素为虚部。 run()函数的使用示例如下所示： from maix import FFT data = bytearray(64) res = FFT.run(data, 64) maix.FFT模块提供了amplitude()函数，用于计算FFT后各个频率点的幅值，amplitude()函数如下所示： FFT.amplitude(res) amplitude()函数用于计算FFT后各个频率点的幅值，从而能够直观地看到频域下数据的状态。 res指的是FFT.run()函数运算后返回的频域数据。 amplitude()函数的使用示例如下所示： from maix import FFT data = bytearray(64) res = FFT.run(data, 64) amp = FFT.amplitude(res)
32.2 硬件设计 32.2.1 例程功能 1. 获取板载数字麦克风的音频数据作为时域数据输入maix.FFT模块进行FFT得到频域数据后，计算频域数据各个频率点的幅值并在LCD上进行直观的图像显示
32.2.2 硬件资源 1. 数字麦克风 IIS_SDIN - IO30 IIS_BCK - IO32 IIS_LRCK - IO33
32.2.3 原理图 本章实验内容，需要获取板载数字麦克风的音频数据。 DNK210开发板上的数字麦克风的连接原理图，如下所示： 图32.2.3.1 数字功放NS4168连接原理图 关于该数字麦克风的使用方法，可参考MSM261S4030H0R的数据手册——《MSM261S4030H0R.pdf》，读者可在A盘à硬件资料à芯片资料下找到这份文档。
32.3 程序设计 32.3.1 maix.FFT模块介绍 有关maix.FFT模块的介绍，请见第32.1小节《maix.FFT模块介绍》。
32.3.2 程序流程图 图32.3.2.1 音频FFT实验流程图
32.3.3 main.py代码 main.py中的脚本代码如下所示： from board import board_info from fpioa_manager import fm from maix import GPIO from maix import I2S from maix import FFT import lcd import image lcd.init() img = image.Image(size=(lcd.width(), lcd.height())) SAMPLE_RATE = 38640 SAMPLE_POINTS = 1024 FFT_POINTS = 512 HIST_NUM = 50 fm.register(board_info.SPK_CTRL, fm.fpioa.GPIO0) fm.register(board_info.MIC_WS, fm.fpioa.I2S0_WS) fm.register(board_info.MIC_SCLK, fm.fpioa.I2S0_SCLK) fm.register(board_info.MIC_SDIN, fm.fpioa.I2S0_IN_D0) spk_ctl = GPIO(GPIO.GPIO0, GPIO.OUT) spk_ctl.value(0) i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0) i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.RECEIVER, align_mode=I2S.STANDARD_MODE) i2s_dev.set_sample_rate(SAMPLE_RATE) hist_width = int(lcd.width() / HIST_NUM) while True: data = i2s_dev.record(SAMPLE_RATE) # 对时域数据进行FFT res = FFT.run(data.to_bytes(), FFT_POINTS) # 计算频域数据各频率点的幅值 amp = FFT.amplitude(res) img.clear() for hist in range(HIST_NUM): if amp[hist] > lcd.height(): hist_height = lcd.height() else: hist_height = amp[hist] img.draw_rectangle(hist * hist_width, lcd.height() - hist_height, hist_width, hist_height, lcd.WHITE, 1, True) lcd.display(img) del data del res del amp 可以看到一开始是先完成分配IO、初始化LCD、GPIO、I2S，为通过I2S获取板载数字扬声器的音频数据做准备。 然后便是在一个循环中不断地通过I2S获取音频数据，然后将音频数据作为时域数据输入进行FFT运算，得到频域数据的计算结果后，再计算频域数据各频率点的幅值，最后将各频率点的幅值通过直方图的形式在LCD上进行显示。
32.4 运行验证 将DNK210开发板连接CanMV IDE，点击CanMV IDE上的“开始(运行脚本)”按钮后，便了看到LCD上显示了板载数字麦克风采集到音频数据的频谱图，如下图所示： 图32.4.1 LCD显示频谱图
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