概述：

万利LPC54110开发板板载LPC54114高性能双核MCU，板载数字麦克风芯片，TF卡以及丰富的外设接口。LPC54114内部带有数字麦克风子系统DMIC，能够直接实现PDM、I2S等数字音频方面的应用。本项目基于万利LPC54110开发板，通过DMIC子系统实现音频信号16ksps的拾取，并利用该信号进行FFT变换，将8kHz内频谱信息显示在8×8的WS2812面板上，实现声音氛围灯。限于时间和作者水平，该项目仅仅呈现出了该芯片的一小部分功能。

系统原理：

代码介绍： WS2812驱动

WS2812不同于其它显示驱动芯片，其仅采用一个管脚，通过高低电平持续时间长短来区分一个code（0或1）。Code0时，高电平≈400ns，低电平≈800ns；Code1时，高电平≈800ns，低电平≈400ns；RESET时，低电平大于50μs。

结合其数据特征，可以直接使用SPI中MOSI管脚，无数据时，MOSI一直输出低电平，等效于WS2812的RESET信号，需要指出的是，该RESET信号并不会清除显示，只是让各个WS2812重新进入数据采集状态。而在发送数据时，则一次性发送全部显示数据。由于SPI在时钟输出前MOSI会提前两个时钟周期上线，因此，SPI发送数据的第一个字节为0x00，显示数据从第二个字节开始填充。

考虑使用3个bit数据来表示一个code，WS2812为GRB24bit颜色模式，因此，一个WS2812的颜色需要24codes = 72bits=9bytes的数据。利用共用体数据结构，按照大端在前规则，设置如下数据结构。

union WS2812_pixelData //Stand for one pixel data for WS2812

{

unsigned int box; //4 byte

struct

{

unsigned int pixelBit0:3;

unsigned int pixelBit1:3;

unsigned int pixelBit2:3;

unsigned int pixelBit3:3;

unsigned int pixelBit4:3;

unsigned int pixelBit5:3;

unsigned int pixelBit6:3;

unsigned int pixelBit7:3;

}pixelByteX; //Share space of box, 4 byte, but 24bit used

unsigned char byteX[3]; //used for GRB

}WSpData[3];

根据数据结构开始进行底层显存masterTxData填充，发送的第一个字节为全0数据，后续字节按照应用层显存WS_masterTxDataX结合位段操作填充WS2812_CODE1（0x06，0b‘110）或者WS2812_CODE0（0x04，0b‘100）。

masterTxData[0] = 0x00;

for(i = 0;i < (TRANSFER_SIZE / 9);i++)

{

//Green pixel byte

G_pixel = ((*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 2)) > WS_brightness) ? (WS_brightness) : (*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 2));

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit7 = ((0x01 << 7) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit6 = ((0x01 << 6) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit5 = ((0x01 << 5) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit4 = ((0x01 << 4) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit3 = ((0x01 << 3) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit2 = ((0x01 << 2) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit1 = ((0x01 << 1) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[2].pixelByteX.pixelBit0 = ((0x01 << 0) & (G_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

//Red pixel byte

R_pixel = ((*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 1)) > WS_brightness) ? (WS_brightness) : (*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 1));

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit7 = ((0x01 << 7) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit6 = ((0x01 << 6) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit5 = ((0x01 << 5) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit4 = ((0x01 << 4) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit3 = ((0x01 << 3) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit2 = ((0x01 << 2) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit1 = ((0x01 << 1) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[1].pixelByteX.pixelBit0 = ((0x01 << 0) & (R_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

//Blue pixel byte

B_pixel = ((*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 0)) > WS_brightness) ? (WS_brightness) : (*(WS_masterTxDataX + i * 3 + 0));

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit7 = ((0x01 << 7) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit6 = ((0x01 << 6) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit5 = ((0x01 << 5) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit4 = ((0x01 << 4) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit3 = ((0x01 << 3) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit2 = ((0x01 << 2) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit1 = ((0x01 << 1) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

WSpData[0].pixelByteX.pixelBit0 = ((0x01 << 0) & (B_pixel)) ? (WS2812_CODE1) : (WS2812_CODE0);

masterTxData[9 * i + 1] = WSpData[2].byteX[2];

masterTxData[9 * i + 2] = WSpData[2].byteX[1];

masterTxData[9 * i + 3] = WSpData[2].byteX[0];

masterTxData[9 * i + 4] = WSpData[1].byteX[2];

masterTxData[9 * i + 5] = WSpData[1].byteX[1];

masterTxData[9 * i + 6] = WSpData[1].byteX[0];

masterTxData[9 * i + 7] = WSpData[0].byteX[2];

masterTxData[9 * i + 8] = WSpData[0].byteX[1];

masterTxData[9 * i + 9] = WSpData[0].byteX[0];

}

/* Set up handle for spi master */

SPI_MasterTransferCreateHandleDMA(WS2812_SPI_MASTER, &masterHandle, SPI_MasterUserCallback, NULL, &masterTxHandle,

&masterRxHandle);

/* Start master transfer */

masterXfer.txData = (uint8_t *)&masterTxData;

masterXfer.rxData = (uint8_t *)&masterRxData;

masterXfer.dataSize = TRANSFER_SIZE * sizeof(masterTxData[0]);

masterXfer.configFlags = kSPI_FrameAssert;

if (kStatus_Success != SPI_MasterTransferDMA(WS2812_SPI_MASTER, &masterHandle, &masterXfer))

{

PRINTF("There is an error when start SPI_MasterTransferDMA \r\n ");

}

/* Wait until transfer completed */

while (!isTransferCompleted)

{

}

SysTick_DelayTicks(4); //ms

DMIC子系统

DMIC子系统时LPC54114的一个特色功能，能够实现PDM、PCM、I2S数据接口之间的数据直通，大幅降低了数据驱动开发的工作量。其初始化代码以及传输启动代码如下所示。

void DMICx_Config(void)

{

dmic_channel_config_t dmic_channel_cfg;

//////////DMIC Init//////////

dmic_channel_cfg.divhfclk = kDMIC_PdmDiv1;

dmic_channel_cfg.osr = 25U;

dmic_channel_cfg.gainshft = 3U;

dmic_channel_cfg.preac2coef = kDMIC_CompValueZero;

dmic_channel_cfg.preac4coef = kDMIC_CompValueZero;

dmic_channel_cfg.dc_cut_level = kDMIC_DcCut155;

dmic_channel_cfg.post_dc_gain_reduce = 1;

dmic_channel_cfg.saturate16bit = 1U;

dmic_channel_cfg.sample_rate = kDMIC_PhyFullSpeed;

#if defined(FSL_FEATURE_DMIC_CHANNEL_HAS_SIGNEXTEND) && (FSL_FEATURE_DMIC_CHANNEL_HAS_SIGNEXTEND)

dmic_channel_cfg.enableSignExtend = true;

#endif

DMIC_Init(DMIC0);

#if !(defined(FSL_FEATURE_DMIC_HAS_NO_IOCFG) && FSL_FEATURE_DMIC_HAS_NO_IOCFG)

DMIC_SetIOCFG(DMIC0, kDMIC_PdmDual);

#endif

DMIC_Use2fs(DMIC0, true);

DMIC_SetOperationMode(DMIC0, kDMIC_OperationModeDma);

DMIC_ConfigChannel(DMIC0, kDMIC_Channel0, kDMIC_Left, &dmic_channel_cfg);

DMIC_FifoChannel(DMIC0, kDMIC_Channel0, FIFO_DEPTH, true, true);

DMIC_EnableChannelDma(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL, true);

DMIC_ConfigChannel(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL, kDMIC_Left, &dmic_channel_cfg);

DMIC_FifoChannel(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL, FIFO_DEPTH, true, true);

DMIC_EnableChannnel(DMIC0, APP_DMIC_CHANNEL_ENABLE);

PRINTF("Configure DMA\r\n");

// DMA_Init(DMA0);

DMA_EnableChannel(DMA0, APP_DMAREQ_CHANNEL);

DMA_SetChannelPriority(DMA0, DMAREQ_DMIC0, kDMA_ChannelPriority1);

/* Request dma channels from DMA manager. */

DMA_CreateHandle(&g_dmicRxDmaHandle, DMA0, APP_DMAREQ_CHANNEL);

/* Create DMIC DMA handle. */

DMIC_TransferCreateHandleDMA(DMIC0, &g_dmicDmaHandle, DMICx_UserCallback, NULL, &g_dmicRxDmaHandle);

}

void DMICx_start(void)

{

receiveXfer.dataSize = 2 * BUFFER_LENGTH;

receiveXfer.data = (uint16_t *)g_rxBuffer;//DmicState.Buffer;//(uint16_t *)testbuffer;//

DMIC_TransferReceiveDMA(DMIC0, &g_dmicDmaHandle, &receiveXfer, kDMIC_Channel0);

DMIC_EnableChannnel(DMIC0, DMIC_CHANEN_EN_CH0(1));

}

需要注意的是，由于DMIC和SPI均使用了DMA数据传输功能，因此，在初始化和操作时需要注意不要对DMA0重复初始化，另外，SPI传输完成后不能调用DMA_Deinit(WS2812_DMA)，这样会关闭所有的DMA传输导致程序卡死。

管脚配置与时钟配置

该项目利用MCUXpresso IDE进行开发，该工具类似与STMCubeIDE，能够进行以GUI形式配置GPIO、时钟、外设等。配置时钟如下图：新建BOARD_BootClockPLL150M功能组，并配置相应的时钟。

快速傅里叶变换（FFT）

该部分代码直接搬运Arduino中的FFT例程，为了实现比较短的采样间隔，使用800kHz时钟频率，并降低采样点数为128点，虽然，频率精度变低，但是一个完整显示和处理周期时间相比于256点由45ms降低至26ms，能够较快响应外部声音变化。

在FFT部分，对计算得到的频域功率谱进行分段求和、归一，得到WS2812显示面板每一列像素数量，之后在主程序中调用WS2812_ShowLineDMA(Red,Blue4);函数进行显示。

小结：

氛围灯一直时我想做的项目之一，然而，因为各种各样的借口一拖再拖。这次，借着硬禾学堂给的机会，一鼓作气，实现了声音氛围灯的雏形，为后续继续开展相关创作奠定基础，树立信心。本次项目的感受：

1. MCU领域日新月异，有各种各样强大功能的MCU陆续问世。身处此洪流之中，虽有官方例程加持，但核心还是ARM、RISC-V等内核原理和典型外设（DMA等）的工作原理、调试方法。
2. 学会如何使用别人的轮子。别人的“轮子”，特别是开源平台上的，代码规范，水平高，学习他们的代码要强于自己一点一点写，做出来的功能也要更丰富。
3. 为了扩展产品的应用，各个厂商制作了丰富的教程、例程、IDE等，加快了产品投放市场的速度。那么，嵌入式MCU的共性技术时什么呢？