本文件介绍了基于stm32f429的电吉他调音器的设计与实现，涉及系统架构、信号处理和开发过程中遇到的问题。主要内容包括快速傅立叶变换（FFT）的运用、ADC信号转换、音调计算及节拍器的功能。最终实现了与用户交互的LCD界面，解决了文中提到的多项技术难题。

1. 嵌入式作業系統設計與實作
電吉他調音器
楊震
向澐
丁士宸
李昆憶
呂科進
鄭聖文

2. 二十六小時的堅持 , 雖然尚未完成

3. 成果 - 電吉他調音器

4. 系統架構
Stm32F429
Discovery
Guitar
Battery
ADC
USB
Buzzer Timer
Operating System:
Rtenv Plus

5. 調音器程式流程
音訊輸入
ADC 轉換
快速傅立葉轉換 (FFT)
音調頻率 , 可表示為音名

6. 電吉他
電吉他的拾音器是由磁鐵和線圈構成，會產生磁場
當弦被撥動時，磁場會收到干擾，產生電壓

7. 聲音頻率、音名
C D E F G A B
Do Re Mi Fa Sol La Si
不同的音調及音高會對應至不同之頻率 , 以鋼琴中央
C 而言 , 頻率約為 261.6Hz

8. 類比數位轉換 (ADC)
●
透過 ADC 將外部類比訊號轉成離散數位訊號
●
採用單一頻道連續取樣模式
●
利用 DMA 來搬移 ADC 產生的資料來減少 CPU 花費在讀
寫的時間
●
將取樣的結果做快速傅立葉轉換來取得頻率

9. 開發問題
●
DMA 的模式無法搞定， Normal mode 搬移資料完成後
無法重新啟動。
●
若不以 DMA 完成後再計算，則勢必要定時取樣
●
更動排程時間造成作業系統無法預知的行為

10. 開發問題
●
從示波器上看到，電吉他會產生一個正負約 0.2mV
的正弦波來回振動
●
然而硬體的 ADC 只能量到最多 0 ~ 3.6V 之間的電壓，
導致負電壓量測不到
問題：如何量到完整的波形？
●
答案：調整基準點、波形 -> 以平移放大電路解決
●
將完整波形 level-shift 到正電壓區
●
利用放大電路增加波形的可分辨力

11. 平移、放大電路 , 使用 OAP

12. 測試 , 感謝工科系、電機系支援 !

13. 電路成品

14. 平移、放大電路 , 使用 OAP

15. 原訊號

16. 調整後

17. 快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform)
與 Discrete Fourier Transform 一樣，將訊號從
time domain 轉換成 frequency domain
DFT 的缺點：運算量過大： N^2
FFT ： N lg N

18. 快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform)


19. 快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform)


20. 快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform)

FFT 概念：將 DFT 拆成奇偶兩部分

21. 快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform)
F(0)
F(1)
F(2)
F(3)
F(4)
F(5)
F(6)
F(7)
0
1
2
3
4
5
6
7
0
2
4
6
1
3
5
7
0
4
2
6
1
5
3
7

22. 開發問題
ARM 有提供 CMSIS DSP Library ，可是在開發上
遇到重重困難
VFP Register 問題
將 compiler 版本更新至 4.8.4 以上
需要開啟 FPU
-DARM_MATH_CM4
-D__FPU_USED=1
-D__FPU_PRESENT=1
-mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard

23. 開發問題
ARM 有提供 CMSIS DSP Library ，可是在開發上
遇到重重困難
VFP Register 問題
將 compiler 版本更新至 4.8.4 以上
需要開啟 FPU
-DARM_MATH_CM4
-D__FPU_USED=1
-D__FPU_PRESENT=1
-mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard

24. 開發問題
編譯 flag 的優化層級為 – O0 ，造成部分 Library
程式碼沒有被優化 -> 硬作 !

25. 開發問題
ARM FFT 調用函式：
arm_cfft_f32() 所需的 arm_bitreversal_32.s ，一
直沒有被 link 進來 , 試過很多方法，依然無解
-> 毅然決然，到網路上找尋 FFT 4096 的原始碼

26. 開發問題
板子的 floatint point extension 沒有被開啟
-> 還是硬幹
/libraries/CMSIS/Include/core_cm4.h
/libraries/CMSIS/Device/ST/STM32F4xx/Source/Templates/system_stm32f4xx.c

27. 開發問題
ARM 有提供 CMSIS DSP Library ，可是在開發上
遇到重重困難
VFP Register 問題
將 compiler 版本更新至 4.8.4 以上
需要開啟 FPU
-DARM_MATH_CM4
-D__FPU_USED=1
-D__FPU_PRESENT=1
-mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard

28. 節拍器程式流程
計算節拍週期
設定定時器發聲 ( 蜂鳴器 )
延遲

29. 單位 :BPM (Beat Per Minute)
表示一個指定的音符，例如四分音符在一分鐘內出
現的次數 ( 例如四分音符在一分鐘內出現的次數 ,
120 為 BPM 值，表示每分鐘演奏 120 個四分音符 )
樂譜上常記有音樂速度標記如 :
Allegro － 快板（ 120 - 168 bpm ）
Moderato － 中板（ 90 - 115 bpm ）
Andante － 行板（ 76 - 108 bpm ）
...Etc

30. 蜂鳴器 (Buzzer)
利用 timer 對一個 GPIO 以固定頻率輸出即可發出聲音
因此改變 timer 的時間就能發出不同高低的聲音

31. LCD 模組 ( 觸控螢幕 )
優點 : 使用者互動界面
缺點 : 電阻式觸控螢幕 , 流暢度有待加強

32. LCD 繪圖原理
Layer
圖層是一排排的 Pixel 刷新
如果在更新完就立即顯 , 就會出現閃爍情況

33. 開發問題
圖形更新問題 ( 圖層閃爍 )
解決方案 :Double buffer
硬體過新 , 軟體 Library 有 bug (ST Library)

34. 開發問題
圖形更新問題 ( 圖層閃爍 )
解決方案 :Double buffer
硬體過新 , 軟體 Library 有 bug (ST Library)

35. 解決畫面閃爍 - Double buffer
Show layer Hidden layer

36. 解決畫面閃爍 - Double buffer
Hidden layer
Show layer
圖案先繪製到下面的 buffer

37. 解決畫面閃爍 - Double buffer
Hidden layer
Show layer
繪圖完畢

38. 解決畫面閃爍 - Double buffer
Show layer
Hidden layer
圖層交換

39. Thanks for listening!

40. Demo Time!