使用 Bass.dll、C# 和 Arduino 制作音频频谱分析仪 - 第 2 部分。

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• 独立控制器应用（适用于 .NET 4.5）下载 Spectrum_Daemon.zip
• Arduino 代码、原理图、电路板设计（需要 Eagle）下载 BassSpectrumHw.zip

引言

我之前关于用 Arduino 制作频谱分析仪的文章展示了一个概念验证代码，用于获取音频频谱数据并将其渲染到屏幕和 Arduino 硬件上。自那篇原始文章发布以来，我一直在开发一个改进版本。如果你还没有阅读过原文，我强烈建议你先阅读。

傅里叶变换背景知识

在上一篇文章中，我没有过多地讨论频谱分析的过程。频谱数据是通过傅里叶变换获得的，该变换基于傅里叶定理。用通俗的话来说，傅里叶定理指出，任何波都可以被再现为一系列简单的正弦波。因此，傅里叶变换可以找出组成波的正弦波的频率及其振幅。在本文所用的显示方法中，频率是在 0Hz 到 22KHz 的对数基础上指定和固定的，这与我们耳朵的工作方式相对应。之后，振幅会以条形图的形式表示。

对于傅里叶变换，几乎所有的实现都使用 FFT（快速傅里叶变换）算法，因为它足够快。Bass.dll 和 Bass.WASAPI.dll 库内置了 FFT 变换的方法。

你可以在这篇维基百科文章中阅读更多关于傅里叶变换的内容。

修改与改进

原始硬件设计的问题在于它只是一个原型，因此，如果你想在周末完成这个项目，那是不可能的。

如果你想制作它，还需要额外的工作，比如设计一个 PCB。对于初次设计 PCB 的人来说，这可能会令人沮丧和困难。为了克服这个问题并使组装更容易，我为它设计了 PCB 和电路图。

但这并不是唯一的改进。最初我使用了一对 MAX7221 恒流 LED 驱动器，它们很不错，但要获得不错的分辨率至少需要 8 个，而且布线会很麻烦。幸运的是，你可以在 e-bay 上花几美元买到基于 HT1632C 的 LED 显示屏。HT163C 也是一个恒流 LED 驱动器，但它是专门为 LED 矩阵设计的，所以一个芯片可以驱动 8x32 像素，这很棒。此外，它使用类似 SPI 的串行传输，所以 8x32 像素的 LED 阵列只需要 5 根线。为了获得不错的垂直分辨率，我使用了两个显示屏，所以最终的显示矩阵是 16 像素高，32 像素宽。

幸运的是，有一个用于 HT163C 的 Arduino 库，所以不需要重复造轮子。在软件开发过程中，我发现该

库提供的例程在绘制频谱数据时速度很慢，因此我修改了库，增加了允许直接修改显示缓冲区的新方法。修改后的库代码当然也包含在发布文件中。

另一个改动是项目使用了 Arduino Nano 而不是 Uno。Nano 和 Uno 拥有相同的微控制器，但尺寸更小，并且使用 mini USB 接口而不是 USB-B。此外，在 e-bay 上花几美元就能买到。

当我完成新的硬件原型时，我发现它有点无聊，所以我让它变得更有趣了。一个 16x32 的显示屏有很多可能性，

我还有一个热敏电阻和一个 RTC（实时时钟）板，已经有一段时间没用了，所以我把它们也整合到了最终设计中。这样，当设备通电但不用作音频频谱显示时，它会显示当前的时间和温度。

RTC 是一个 MAX DS1307 板，也可以在 ebay 上买到。热敏电阻只是一个温度敏感的电阻器，它被接成一个分压器，从而在不同温度下产生不同的电压。访问和使用 DS1037 并不困难，因为它也有一个非常好的 Arduino 库，可以在这里找到。（注意：所有必需的库都已包含在代码中，你不需要单独下载）

电路板设计

电路板和原理图是使用 Eagle 创建的。Eagle PCB 是目前行业领先的 PCB 设计软件之一，最初的 Arduino 板就是用 Eagle 设计的。该电路板和原理图遵循知识共享署名-相同方式共享 4.0 国际许可协议的条款发布。

通俗地说，这意味着只要你注明原始设计的出处，你就可以对这个设计做任何你想做的事情。

不幸的是，我不是 PCB 设计专家，所以我的朋友兼同事 Zsolt Molnár 帮助设计了电路板。设计规范之一是它需要能够在家中制作和组装。

许多开放硬件设计因使用 SMD（表面贴装）元件而缺乏这一特性。焊接 SMD 元件对初学者来说可能非常困难，并且需要特殊工具。这个电路板只使用通孔元件和单面 PCB，可以在家里进行蚀刻。关于家庭 PCB 蚀刻或铣削的教程可以在各种网站上找到。在“兴趣点”部分，我提到了一些。但我警告你，这并不像听起来那么容易。掌握这项技能需要大量的练习 :)

或者，你可以使用提供的文件从本地 PCB 制造商那里订购 PCB。

代码与通信

代码分为两部分。一个微控制器程序和一个 PC 软件。PC 软件基于上一篇文章中介绍的实现，但进行了重构。

第一个主要区别是移除了频谱条以降低 CPU 需求。之前的程序使用 WPF 进度条，导致单核 CPU 占用率达到 100%。在未来的版本中，我可能会添加一个基于 WritableBitmap 的显示。

第二个主要区别在于通信方式，它基于数据包，而不是计算接收到的字节数。

这是必需的，因为显示器支持多种模式，如频谱、反向频谱、电平模式和时间配置。

每条消息为 34 字节。第一个字节决定显示模式，然后是 33 字节的数据和一个值为十六进制 0xFF 的结束字节。

Arduino 代码分为三个文件，目前由于全局变量的存在有点混乱，但一旦我有更多时间，我会进行清理。

代码可以在 GitHub 上找到，具体在 https://github.com/webmaster442/BassPlayer 仓库中。这是我正在开发的音乐播放器的仓库。它也使用了 Bass.dll 组件，因此播放器和频谱分析仪共享部分代码库。该播放器有一些不错的功能，但也有一些问题，因为我还没有时间修复它们。

视频演示

这是几个月前我开发原型时制作的视频演示。它展示了除了反向频谱之外的所有模式，因为反向频谱是上周才添加的。

零件清单

• DS1307 RTC 板 - 1 个
  [Ebay 链接]

• HT1632 显示模块 - 2 个
  [Ebay 链接]

• Arduino Nano
  [Ebay 链接] 或 [亚马逊链接]

• 10K 0.3W 电阻 - 3 个

• 10K 热敏电阻 - 1 个

• 16V, 4700µF 电容 - 1 个

• Wago PCB 接线端子，型号：W237-102 - 5 个

• 10K 或 100K 电位器 - 1 个（用于控制显示亮度）

关注点

• 电路技巧：电路板蚀刻 (Youtube)
• 廉价、友好且精确的 PCB 蚀刻 (Make)
• DIY PCB 蚀刻 (Fritzing)
• Eagle 教程 1：原理图设计 (Youtube)
• Eagle 教程 2：印刷电路板布局 (Youtube)
• Bass.net 网站
• Bass.dll 组件网站

历史

• 2015-07-21：初版发布