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73-频谱分析256点FFT-USB-CDC送电脑ISP软件调试接口FFT绘图显示，AI8051U实验箱演示程序
主程序main.C代码如下（汇编版本在附件中）：
/*---------------------------------------------------------------------*/
/* --- Web: www.STCAI.com ---------------------------------------------*/
/* --- BBS: www.STCAIMCU.com -----------------------------------------*/
/* 如果要在程序中使用此代码,请在程序中注明使用了STC的资料及程序 */
/*---------------------------------------------------------------------*/
/************* 功能说明 **************
使用AI8051U系列MCU做256点FFT分析, 上传给aiapp-isp显示频谱. MCU主频:40MHz.
ADC使用DMA处理。
使用AI8051U实验箱V1.1验证, 从示波器输入电路输入音频信号, ADC采样后进行FFT计算, 将结果发给aiapp-isp的示波器显示波形.
采样率: 25600Hz, 采样时间10ms
FFT采样点数: 256点.
FFT频率点数: 128.
FFT频谱频率: 0~12700Hz, 分辨率100Hz.
单片机上传数据协议：
上传一帧数据：FB DAT0 DAT1 ..... DAT127 FF
FB：帧数据
DAT0 ... DAT127：128个Y轴数据（数值为0~250），字节序号0~399就是X轴。
FF：帧数据结束
AI8051U @40MHz : 25.6KHz采样率, 采样时间10ms, 加载硬件浮点库+整数库, 只计算6.5ms, 计算+上传 6.8ms, 计算2次上传一次, 显示刷新频率50Hz, 视频级刷新.
******************************************/
//---------------------------------------------------------------------
/************* 本地常量声明 **************/
/************* IO定义声明 **************/
/************* 本地变量声明 **************/
#define CHANNEL 2 //设置ADC通道(咪头通道), 取值为0~7, 对应P1.0~P1.7, 使用别的ADC输入口则要修改ADC初始化函数.
#define SAMPLE_RATE 36000 //定义采样率, 实际采样率为25600Hz, 因为ADC DMA自动触发的时间间隔是ADC完成并且DMA保存数据后开始定时的。实际间隔时间 = ADC时间+DMA保存数据时间+间隔时间
#define SAMPLES 256 //定义采样点数
int xdata adc_buf1[SAMPLES*3]; //ADC结果存放的数组, [n][0]为每次转换的值, [n][1]高字节为ADC通道号,低字节为取平均值后的余数, [n][2)]为平均值
int xdata adc_buf2[SAMPLES*3]; //ADC结果存放的数组, [n][0]为每次转换的值, [n][1]高字节为ADC通道号,低字节为取平均值后的余数, [n][2)]为平均值
bit B_ADC_DMA_ok; //ADC DMA已完成标志(用户标志)
int xdata sample[SAMPLES]; // ADC采样拷贝
int xdata FFT_Real[SAMPLES]; // fft的实部
int xdata FFT_Image[SAMPLES]; // fft的虚部
u16 xdata FFT_A[SAMPLES/2]; // 频点的幅度
u8 cal_cnt; //计算次数
u8 edata amplitude[SAMPLES/2]; //幅度
bit B_adc_buf; // 0: 操作adc_buf1[], 1: 操作adc_buf2[],
bit B_SampleOk; // 0: 操作adc_buf1[], 1: 操作adc_buf2[],
u8 KeyCode;
/************* 本地函数声明 **************/
#define SCALE 1024 //正弦值、余弦值放大系数
//0~180度余弦表，放大了1024倍(256点FFT时用)
const int COS_TABLE[SAMPLES/2]=
{
1024, 1024, 1023, 1021, 1019, 1016, 1013, 1009, 1004, 999, 993, 987, 980, 972, 964, 955,
946, 936, 926, 915, 903, 891, 878, 865, 851, 837, 822, 807, 792, 775, 759, 742,
724, 706, 688, 669, 650, 630, 610, 590, 569, 548, 526, 505, 483, 460, 438, 415,
392, 369, 345, 321, 297, 273, 249, 224, 200, 175, 150, 125, 100, 75, 50, 25,
0, -25, -50, -75, -100, -125, -150, -175, -200, -224, -249, -273, -297, -321, -345, -369,
-392, -415, -438, -460, -483, -505, -526, -548, -569, -590, -610, -630, -650, -669, -688, -706,
-724, -742, -759, -775, -792, -807, -822, -837, -851, -865, -878, -891, -903, -915, -926, -936,
-946, -955, -964, -972, -980, -987, -993, -999, -1004,-1009, -1013, -1016, -1019, -1021, -1023, -1024
};
//0~180度正弦表，放大了1024倍(256点FFT时用)
const int SIN_TABLE[SAMPLES/2]=
{
0, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 224, 249, 273, 297, 321, 345, 369,
392, 415, 438, 460, 483, 505, 526, 548, 569, 590, 610, 630, 650, 669, 688, 706,
724, 742, 759, 775, 792, 807, 822, 837, 851, 865, 878, 891, 903, 915, 926, 936,
946, 955, 964, 972, 980, 987, 993, 999, 1004, 1009, 1013, 1016, 1019, 1021, 1023, 1024,
1024, 1024, 1023, 1021, 1019, 1016, 1013, 1009, 1004, 999, 993, 987, 980, 972, 964, 955,
946, 936, 926, 915, 903, 891, 878, 865, 851, 837, 822, 807, 792, 775, 759, 742,
724, 706, 688, 669, 650, 630, 610, 590, 569, 548, 526, 505, 483, 460, 438, 415,
392, 369, 345, 321, 297, 273, 249, 224, 200, 175, 150, 125, 100, 75, 50, 25,
};
//采样存储序列表(倒序) FFT 256点反序十进制:
const u8 LIST_TAB[256] = {
0, 128, 64, 192, 32, 160, 96, 224, 16, 144, 80, 208, 48, 176, 112, 240,
8, 136, 72, 200, 40, 168, 104, 232, 24, 152, 88, 216, 56, 184, 120, 248,
4, 132, 68, 196, 36, 164, 100, 228, 20, 148, 84, 212, 52, 180, 116, 244,
12, 140, 76, 204, 44, 172, 108, 236, 28, 156, 92, 220, 60, 188, 124, 252,
2, 130, 66, 194, 34, 162, 98, 226, 18, 146, 82, 210, 50, 178, 114, 242,
10, 138, 74, 202, 42, 170, 106, 234, 26, 154, 90, 218, 58, 186, 122, 250,
6, 134, 70, 198, 38, 166, 102, 230, 22, 150, 86, 214, 54, 182, 118, 246,
14, 142, 78, 206, 46, 174, 110, 238, 30, 158, 94, 222, 62, 190, 126, 254,
1, 129, 65, 193, 33, 161, 97, 225, 17, 145, 81, 209, 49, 177, 113, 241,
9, 137, 73, 201, 41, 169, 105, 233, 25, 153, 89, 217, 57, 185, 121, 249,
5, 133, 69, 197, 37, 165, 101, 229, 21, 149, 85, 213, 53, 181, 117, 245,
13, 141, 77, 205, 45, 173, 109, 237, 29, 157, 93, 221, 61, 189, 125, 253,
3, 131, 67, 195, 35, 163, 99, 227, 19, 147, 83, 211, 51, 179, 115, 243,
11, 139, 75, 203, 43, 171, 107, 235, 27, 155, 91, 219, 59, 187, 123, 251,
7, 135, 71, 199, 39, 167, 103, 231, 23, 151, 87, 215, 55, 183, 119, 247,
15, 143, 79, 207, 47, 175, 111, 239, 31, 159, 95, 223, 63, 191, 127, 255
};
/********************************************************************
函数功能：进行FFT运算。
入口参数：none.
返 回：none.
********************************************************************/
void FFT(void)
{
u16 i,j;
u16 BlockSize;
int tr,ti;
u8 OffSet1,OffSet2;
long co,si;
for(j=0; j<SAMPLES; j+=2) //先计算2点的
{
tr = sample[j+1];
FFT_Real[j+1] = (sample[j] - tr);
FFT_Image[j+1] = 0;
FFT_Real[j] = (sample[j] + tr);
FFT_Image[j] = 0;
}
for(BlockSize=4; BlockSize<=SAMPLES; BlockSize<<=1) //再一层层计算
{
for(j=0; j<SAMPLES; j+=BlockSize)
{
for(i=0; i<BlockSize/2; i++)
{
OffSet1 = SAMPLES/BlockSize * i;
co = (long)COS_TABLE[OffSet1];
si = (long)SIN_TABLE[OffSet1];
OffSet1 = i + j;
OffSet2 = OffSet1 + BlockSize/2;
tr = (co*FFT_Real[ OffSet2] + si*FFT_Image[OffSet2]) / SCALE;
ti = (co*FFT_Image[OffSet2] - si*FFT_Real[ OffSet2]) / SCALE;
FFT_Real[ OffSet2] = (FFT_Real[ OffSet1] - tr) >> 1;
FFT_Image[OffSet2] = (FFT_Image[OffSet1] - ti) >> 1;
FFT_Real[ OffSet1] = (FFT_Real[ OffSet1] + tr) >> 1;
FFT_Image[OffSet1] = (FFT_Image[OffSet1] + ti) >> 1;
}
}
}
FFT_Real[0] = FFT_Real[0] >> 1;
FFT_Image[0] = FFT_Image[0] >> 1;
}
//================== USB-CDC返回数据 ======================
void CDC_RetuanData(void)
{
u8 edata *xp;
u8 i,j;
u16 y;
if(++cal_cnt == 2) cal_cnt = 0; //2次刷新一次
for(j=0; j<128; j++)
{
if(cal_cnt == 0) //减慢一点掉落速度
{
if(amplitude[j] != 0) amplitude[j]--; //刷新衰减
}
y = FFT_A[j]; //取幅度
if((y & 0xf800) != 0) y = 2047; // if(y >= 2048) y = 2047; //限幅
i = T_Alaw_encode[y]; //取对数, 借用A率压缩的对数, 用户可以自己决定使用什么对数.
if(amplitude[j] < i) amplitude[j] = i; //值更大, 则更新显示
}
amplitude[0] = 0; //第一个是直流电平(0Hz), 不需要, 写0
if(cal_cnt == 0)
{
TxBuffer[0] = 0xfb; //上传一帧数据：FB DAT0 DAT1 ..... DAT127 FF
y = 1; //发送字节数
xp = &litude[0]; //首地址
amplitude[0] = 0; //直流电平，不是频率信号
for(i=0; i<128; i++)
{
TxBuffer[y++] = *xp;
xp++;
}
TxBuffer[y++] = 0xff; //命令结束
uart_send(y); //触发发送. 将要发送的数据保存在TxBuffer缓冲区中, 然后调用uart_send(n)函数触发数据发送,参数为发送的字节数. 一次最多可发送64K,函数内部会自动进行USB分包.
}
}
//========================================================================
// 函数: void delay_ms(u16 ms)
// 描述: 延时函数。
// 参数: ms,要延时的ms数, 1~65535ms. 自动适应主时钟.
// 返回: none.
// 版本: VER1.0
// 日期: 2013-4-1
// 备注:
//========================================================================
void delay_ms(u16 ms)
{
u16 i;
do
{
i = MAIN_Fosc / 6000;
while(--i) ;
}while(--ms);
}
void delay(void)
{
u16 i;
for (i=0; i<100; i++);
}
//========================================================================
// 函数: void ADC_config(void)
// 描述: ADC初始化函数
// 参数: none.
// 返回: none.
// 版本: VER1.0
// 日期: 2024-8-1
// 备注:
//========================================================================
#define D_ADC_POWER (1<<7) /* ADC电源，1开启，0关闭 */
#define D_ADC_START (1<<6) /* 启动转换，自动清0 */
#define D_ADC_FLAG (1<<5) /* 完成标志，软件清0 */
#define D_ADC_EPWMT (1<<4) /* 允许PWMA触发ADC */
#define D_ADC_SPEED 4 /* 0~15, ADC时钟 = SYSclk/2/(n+1) */
#define D_RES_FMT (1<<5) /* ADC结果格式 0: 左对齐, ADC_RES: D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2, ADC_RESL: D1 D0 0 0 0 0 0 0 */
/* 1: 右对齐, ADC_RES: 0 0 0 0 0 0 D9 D8, ADC_RESL: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 */
#define CSSETUP (1<<7) /* 0~1, ADC通道选择时间 0: 1个ADC时钟, 1: 2个ADC时钟, 默认0(默认1个ADC时钟) */
#define CSHOLD (1<<5) /* 0~3, ADC通道选择保持时间 (n+1)个ADC时钟, 默认1(默认2个ADC时钟) */
#define SMPDUTY 23 /* 10~31, ADC模拟信号采样时间 (n+1)个ADC时钟, 默认10(默认11个ADC时钟) */
/* ADC转换时间: 10位ADC固定为10个ADC时钟, 12位ADC固定为12个ADC时钟. */
void ADC_config(void)
{
// EAXSFR(); //SFR enable
P1n_pure_input(1<<CHANNEL); //设置要做ADC的IO做高阻输入
ADC_CONTR = D_ADC_POWER + CHANNEL; //ADC on + channel
ADCCFG = D_RES_FMT + D_ADC_SPEED;
ADCTIM = CSSETUP + CSHOLD + SMPDUTY;
// ADC_CONTR |= ADC_START; //启动ADC转换,完成后自动清零
// ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG; //清除ADC完成(中断)标志
// ADC_CONTR |= ADC_EPWMT; //允许PWM触发ADC
// EADC = 1; //允许ADC中断
// IPH |= PADCH; //ADC 中断优先级高位
// PADC = 1; //ADC 中断优先级
}
void ADC_DMA_config(void) //初始化ADC DMA函数
{
DMA_ADC_CFG2 = 0; //每个通道转换的次数, 0-->1次, 8-->2次, 9-->4次, 10-->8次, 11-->16次, 12-->32次, 13-->64次, 14-->128次, 15-->256次.
DMA_ADC_CFG = (1<<7) + (0<<2) + 0; //bit7=1: 允许ADC_DMA中断, 0:禁止. bit3 bit2: ADC_DMA中断优先级(低0~3高), bit1 bit0: ADC_DMA数据总线访问优先级(低0~3高)
DMA_ADC_STA = 0; //bit0: ADC_DMA完成(中断请求)标志, 需要软件清0.
DMA_ADC_AMTH = (u8)((SAMPLES-1)/256); //重复次数 = 9DMA_ADC_AMTH*256+DMA_ADC_AMT)+1
DMA_ADC_AMT = (u8)((SAMPLES-1)%256); //
DMA_ADC_CHSW1 = 0; //ADC通道使能, bit7~bit0对应通道15~8.
DMA_ADC_CHSW0 = (1<<CHANNEL); //ADC通道使能, bit7~bit0对应通道7~0.
DMA_ADC_ITVH = (u8)(((MAIN_Fosc + SAMPLE_RATE/2) / SAMPLE_RATE) /256); /* ADC_DMA时间间隔寄存器高字节 */
DMA_ADC_ITVL = (u8)(((MAIN_Fosc + SAMPLE_RATE/2) / SAMPLE_RATE) %256); /* ADC_DMA时间间隔寄存器低字节 */
// DMA_ADC_RXAH = (u8)((u16)(&adc_buf1) /256); //存放的地址
// DMA_ADC_RXAL = (u8)((u16)(&adc_buf1) %256); //存放的地址
// DMA_ADC_CR = (1<<7) + (1<<6); //启动ADC_DMA, bit7=1:允许ADC_DMA功能, 0:禁止. bit6=1:触发ADC_DMA功能.
}
//========================================================================
// 函数: void ADC_DMA_ISR(void) interrupt DMA_ADC_VECTOR
// 描述: ADC DMA中断函数
// 参数: none.
// 返回: none.
// 版本: VER1.0
// 日期: 2024-8-1
// 备注:
//========================================================================
void ADC_DMA_ISR(void) interrupt DMA_ADC_VECTOR
{
if(!B_adc_buf) //第1个缓冲完成, 触发第2个缓冲
{
DMA_ADC_RXAH = (u8)((u16)(&adc_buf2)/256); //存放的地址
DMA_ADC_RXAL = (u8)((u16)(&adc_buf2)%256); //存放的地址
}
else //第2个缓冲完成, 触发第1个缓冲
{
DMA_ADC_RXAH = (u8)((u16)(&adc_buf1)/256); //存放的地址
DMA_ADC_RXAL = (u8)((u16)(&adc_buf1)%256); //存放的地址
}
DMA_ADC_CR = (1<<7) + (1<<6); //启动ADC_DMA, bit7=1:允许ADC_DMA功能, 0:禁止. bit6=1:触发ADC_DMA功能.
DMA_ADC_STA = 0; //清除ADC_DMA完成(中断请求)标志
B_SampleOk = B_adc_buf; //0: 操作adc_buf1[], B1: 操作adc_buf2[]
B_adc_buf = ~B_adc_buf; //指向下一个缓冲
B_ADC_DMA_ok = 1; //标志已完成
}
//==============================================================================================================
// ******************* main() *********************************
//===============================================================================================================
void main(void)
{
u16 i,j;
EAXSFR(); //SFR enable
WTST = 0;
CKCON = 0;
P0n_standard(0xff); P0 = 0xff;
P1n_standard(0xff); P1 = 0xff;
P2n_standard(0xff); P2 = 0xff;
P3n_standard(0xfc); P3 = 0xff;
P4n_standard(0xff); P4 = 0xff;
P5n_standard(0xff); P5 = 0xff;
P6n_standard(0xff); P6 = 0xff;
P7n_standard(0xff); P7 = 0xff;
P54 = 1;
HSCLKDIV = 1; //高速时钟分频器 1~255 (默认2)
TFPU_CLKDIV = 1; //TFPU分频
// MCLKO47_DIV(100); //输出主频分频
DMAIR = 0x3f; //算数运算单元
CLKSEL = 0x00; //下载使用40M, PLL=40M/4*12=120MHz, 给FPU浮点库.
CLKSEL |= 0x80; //内部PLL输出时钟选择, |=0x80: 选择PLL 144MHz, &=~0x80: 选择96MHz(默认)
USBCLK = (USBCLK &~0x60) | (2<<5); //选择PLL输入时钟分频,保证输入时钟为12M左右, 0: 1分频(对应12MHz), 1: 2分频(对应24MHz), 2: 4分频(对应48MHz), 3: 8分频(对应96MHz)
USBCLK |= 0x80; //PLL倍频控制, |=0x80: 使能PLL倍频. &= ~0x80: 禁止PLL倍频
delay(); //等待PLL锁频
CLKSEL |= 0x00; //高速IO时钟源选择, |=0x40: 选择PLLCLK, &=~0x40: 选择MCLK(默认)
CLKDIV = 1; //主时钟分频系数, 1~255, 144/5=28.8MHz
// HSCLKDIV = 1; //高速时钟分频器 1~255 (默认2)
// TFPU_CLKDIV = 1; //TFPU分频
CLKSEL |= (0<<2); //主时钟源选择2, 0: MCKSEL选择的时钟源(默认), 1: 内部PLL输出, 2: 内部PLL输出/2, 3: 内部48MHz高速IRC
CLKSEL |= 0; //主时钟源选择, 0: 内部高精度IRC(默认), 1: 外部高速晶振, 2: 外部32K晶振, 3: 内部32K低速IRC
P3n_pure_input(0x03); //P3.0(D-)、P3.1(D+)设置为高阻
IRC48MCR = 0x80;
while (!(IRC48MCR & 0x01));
uart_init();
usb_init();
EA = 1;
delay_ms(1500);
while(DeviceState != DEVSTATE_CONFIGURED) //等待USB初始化完成
{
NOP(3);
}
ADC_config();
ADC_DMA_config();
for(i=0; i<SAMPLES; i++)
{
FFT_Real = 0; // fft的实部
FFT_Image = 0; // fft的虚部
}
for(i=0; i<SAMPLES/2; i++)
{
FFT_A = 0; // 频率的幅度
amplitude = 0; //幅度
}
B_adc_buf = 0; //第1个缓冲
DMA_ADC_RXAH = (u8)((u16)(&adc_buf1)/256); //ADC DMA存放的地址高字节
DMA_ADC_RXAL = (u8)((u16)(&adc_buf1)%256); //ADC DMA存放的地址低字节
DMA_ADC_CR = (1<<7) + (1<<6); //启动ADC_DMA, bit7=1:允许ADC_DMA功能, 0:禁止. bit6=1:触发ADC_DMA功能.
while(1)
{
if (RxFlag) //当RxFlag为1时,表示已接收到CDC串口数据
//接收的数据大小保存在RxCount里面,每个包最多接收64字节
//数据保存在RxBuffer缓冲区
{
if((RxCount == 4) && (RxBuffer[0]==0xfe) &&(RxBuffer[1] == 0x01) && (RxBuffer[3] == 0xff))
KeyCode = RxBuffer[2]; //PC下传键代码：FE 01 DAT0 FF
uart_recv_done(); //对接收的数据处理完成后,一定要调用一次这个函数,以便CDC接收下一笔串口数据
}
if(B_ADC_DMA_ok) // DMA完成
{
B_ADC_DMA_ok = 0;
if(!B_SampleOk) //第1个缓冲完成, 数据准备188us @40MHz+整数库+浮点库
{
for(i=0,j=0; i<SAMPLES; i++,j+=3) sample[LIST_TAB] = adc_buf1[j]-2048;
}
else //第2个缓冲完成
{
for(i=0,j=0; i<SAMPLES; i++,j+=3) sample[LIST_TAB] = adc_buf2[j]-2048;
}
FFT(); //FFT运算 AI8051U 5.5ms @40MHz +整数
for(i=0; i<SAMPLES/2; i++)
{
FFT_A = sqrt((long)FFT_Real*(long)FFT_Real + (long)FFT_Image*(long)FFT_Image); //计算模值, KEIL开平方根670us @40MHz +浮点库.
}
CDC_RetuanData(); // AI8051U @40MHz(+整数), 仅计算115us, 计算+上传 475us
}
}
}
73-频谱分析256点FFT-USB-CDC送电脑ISP软件调试接口FFT绘图显示.zip
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发表于 2026-7-2 11:48:48