内容介绍

活动开发板介绍

本次活动使用的开发板是MAX32690EVKIT开发板，其外设功能丰富，除了常规引出IO引脚之外，还搭配了TFT屏幕、耳机音频接口、蓝牙铰链天线、CAN接口等，其外形如下

任务分析

本次我选择的任务为

任务3：音频频谱分析与显示，其要求如下

使用 MAX32690EVKIT 板载麦克风输入接口接收音频信号。音频信号通过 MAX9867 编解码芯片采集，主控通过 I2C 接口配置芯片并通过数字音频接口获取数据，使用 FFT 等数字信号处理技术分析音频频谱，并在彩色屏幕上实时显示波形和频谱图。

功能要求：

音频采集
1. 通过 I2C 接口初始化并配置 MAX9867 编解码芯片
2. 设置合适的采样率（建议 8kHz - 16kHz）
3. 通过数字音频接口（I2S/PCM）获取音频数据
4. 使用 DMA 或中断方式连续采集音频数据
信号处理
1. 实现 FFT（快速傅里叶变换）算法
2. 计算音频信号的频谱分布
3. 提取主要频率成分和幅度信息
屏幕显示
1. 实时显示时域波形图
2. 实时显示频域频谱图（柱状图或曲线）
3. 刷新率至少 10fps

针对以上任务要求，设计系统，从LINE_IN音频输入采集信号，经MAX9867 CODEC数字化后通过I2S+DMA送入MCU，使用CMSIS-DSP库做FFT运算，最终在ST7735 TFT屏幕上同时绘制时域波形和频域频谱，其系统流程如下

其中MAX9867 CODEC作为I2S主机，用于生成BCLK/LRCLK，决定了采样率；MAX32690 MCU作为I2S从机，用于被动接收SCK/WS数据

关键参数

针对该采样-分析系统，设计相关采样参数如下

参数	取值	说明
主时钟 MCLK	12.288 MHz	提供给 CODEC
采样率 fs	16 kHz	由 MAX9867 的 NI 分频比设定
FFT 点数	256	复数 FFT，得到 128 个可用频点
频率分辨率	62.5 Hz	fs / FFT_SIZE = 16000 / 256
频谱范围	0 – 8 kHz	到奈奎斯特频率
采样位深	24-bit	装在 32-bit 字中，MSB 对齐

其中采样率与NI分频比关系如下

$f_{s} = \frac{N I \times MC L K}{65536 \times 96}$

当NI=0x2000，MCLK=12.288MHz时，fs=16kHz

软件工作流程

系统整体流程

设计系统整体运行流程如下

接下来是各个模块的介绍

CODEC初始化

MAX9867通过I2C配置，设计I2C写辅助函数完成CODEC的初始化

static int codec_reg_write(uint8_t reg, uint8_t val)
{
    uint8_t buf[2] = { reg, val };   // I2C 写：先寄存器地址，后数据
    mxc_i2c_req_t req;

    req.i2c      = CODEC_I2C;         // MXC_I2C2
    req.addr     = CODEC_I2C_ADDR;    // 0x18，MAX9867 的 7-bit 从地址
    req.tx_buf   = buf;
    req.tx_len   = sizeof(buf);       // 2 字节
    req.rx_buf   = NULL;              // 纯写，无读
    req.rx_len   = 0;
    req.restart  = 0;
    req.callback = NULL;              // 阻塞式（同步）传输

    return MXC_I2C_MasterTransaction(&req);
}

MAX9867遵循标准I2C寄存器读写协议。一次寄存器写的总线时序是START→从地址(0x18)+W→寄存器地址→数据→STOP。因此buf[0]放寄存器地址、buf[1]放数据，一次2字节事务即可。callback=NULL表示使用阻塞模式，即函数返回时传输已完成。

但初始化过程存在一个问题：

寄存器0x08（DAI format）写入0x98会使能I2S主机模式。一旦CODEC开始产生BCLK/LRCLK，I2C总线就会失去响应，后续任何I2C写操作都会在MXC_I2C_MasterTransaction里死等。为了解决这个问题，可以使用以下方案：

把 0x08 放到最后一个写。先配置好时钟、ADC、LINE_IN、上电等所有寄存器，最后才写0x08启动I2S，之后不再有任何I2C操作。
每次I2C写之间加1ms延时。MAX9867需要时间处理每笔事务，连续背靠背写入可能导致I2C控制器阻塞。

寄存器写入顺序如下

完整CODEC初始化函数如下

static void codec_init(void)
{
    /*
     * Register 0x08 (DAI format) with value 0x98 enables I2S master mode.
     * Once written, the CODEC starts generating BCLK/LRCLK and the I2C
     * interface becomes unresponsive — any subsequent I2C write blocks
     * indefinitely inside MXC_I2C_MasterTransaction (no timeout in the
     * driver's while-loops).
     *
     * Solution: write 0x08 as the VERY LAST I2C transaction.  All other
     * registers (clock, ADC, line-in, power) are configured first, then
     * 0x08 is written to start I2S.  No I2C writes are needed after that.
     *
     * A small delay is added between writes — the MAX9867 needs time to
     * process each I2C transaction.  Without delays, back-to-back writes
     * can cause the I2C controller to block.
     */


    /* 1. Shutdown for configuration */
    printf("[codec] Shutdown...\n");
    fflush(stdout);
    codec_reg_write(0x17, 0x00);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 2. Clear all regs 0x04..0x16 to POR state */
    for (int i = 0x04; i < 0x17; i++) {
        codec_reg_write(i, 0x00);
        MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));
    }
    printf("[codec] Regs cleared\n");
    fflush(stdout);


    /* 3. MCLK prescaler: 12.288 MHz < 20 MHz → psclk=1 → 0x10 */
    codec_reg_write(0x05, 0x10);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 4. Sample rate NI=0x2000 → 16 kHz. reg 0x06=high, 0x07=low. */
    codec_reg_write(0x06, 0x30 | ((CODEC_NI >> 8) & 0x0F));
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));
    codec_reg_write(0x07, CODEC_NI & 0xFF);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 5. DAI clock (controller mode): reg 0x09 = 0x02 */
    codec_reg_write(0x09, 0x02);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 6. ADC input: left=LINE_IN(2), right=NONE(0) → (2<<6)|(0<<4) = 0x80 */
    codec_reg_write(0x14, 0x80);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 7. ADC level: 0 dB → avl=3, avr=3 → (3<<4)|3 = 0x33 */
    codec_reg_write(0x0D, 0x33);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 8. Line-in: unmuted + 0dB gain=24dB→(24-0)/2=12 → 0x0C */
    codec_reg_write(0x0E, 0x0C);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));
    codec_reg_write(0x0F, 0x0C);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(1));


    /* 9. Power up: SHDN=1, EN_LEFT_ADC=0x02, EN_LEFT_LINEIN=0x20 → 0xA2 */
    codec_reg_write(0x17, 0xA2);
    MXC_Delay(MXC_DELAY_MSEC(2));


    /* 10. DAI format LAST — enables I2S master, I2C becomes unresponsive */
    printf("[codec] Writing DAI format (0x08=0x98)...\n");
    fflush(stdout);
    codec_reg_write(0x08, 0x98);
    printf("[codec] CODEC init complete\n");
    fflush(stdout);
}

此外还有个问题需要注意：MAX32690外设驱动默认使能了"errata#16"的重复引脚集。I2C2的重复引脚集是P0.13/P0.14，EVKit上没有上拉（且P0.14被TFT占用），会导致MXC_I2C_Init()里的MXC_I2C_Recover()失败。在project.mk中定义-DMAX32690GTK_PACKAGE_TQFN让驱动只配置主引脚集即可解决。

PROJ_CFLAGS += -DMAX32690GTK_PACKAGE_TQFN

I2S+DMA采集

本项目中CODEC是主机，MCU是从机，设计I2S初始化代码如下

static void i2s_init(void)
{
    mxc_i2s_req_t req;

    /* CODEC 驱动 SCK/WS，所以 I2S 外设是从机；
     * 音频以 24-bit 采样装在 32-bit、MSB 对齐的字里传输 */
    req.wordSize    = MXC_I2S_WSIZE_WORD;                    // 32-bit 字
    req.sampleSize  = MXC_I2S_SAMPLESIZE_TWENTYFOUR;         // 24-bit 有效采样
    req.bitsWord    = 24;
    req.adjust      = MXC_I2S_ADJUST_LEFT;                   // 左（MSB）对齐
    req.justify     = MXC_I2S_MSB_JUSTIFY;
    req.wsPolarity  = MXC_I2S_POL_NORMAL;
    req.channelMode = MXC_I2S_EXTERNAL_SCK_EXTERNAL_WS;      // 外部时钟 = 从机
    req.stereoMode  = MXC_I2S_STEREO;                        // 立体声
    req.bitOrder    = MXC_I2S_MSB_FIRST;
    req.clkdiv      = 0;                                     // 从机不分频

    req.rawData = NULL;
    req.txData  = NULL;                                      // 只收不发
    req.rxData  = i2s_rx_buffer;
    req.length  = I2S_RX_WORDS;

    if (MXC_I2S_Init(&req) != E_NO_ERROR)
        fatal_blink("Error initializing I2S");

    /* 4 个共享 DMA 中断向量全部路由到驱动 Handler */
    MXC_NVIC_SetVector(DMA0_IRQn, DMA0_IRQHandler);
    /* ... DMA1/2/3 同理 ... */
    NVIC_EnableIRQ(DMA0_IRQn);   /* ... DMA1/2/3 同理 ... */

    MXC_I2S_RegisterDMACallback(i2s_dma_callback);
}

关键配置字段如下

字段	取值	含义
channelMode	EXTERNAL_SCK_EXTERNAL_WS	时钟来自外部（CODEC），即MCU为从机
sampleSize	TWENTYFOUR	ADC输出 24-bit 精度
wordSize	WORD (32-bit)	24-bit采样打包进32-bit字
justify	MSB_JUSTIFY	采样左对齐，有效数据在高位 bit[31:8]
stereoMode	STEREO	左右声道交替，缓冲区偶数字=左，奇数字=右

DMA中断处理：四个DMA通道中断都指向同一个驱动分发函数，MSDK内部会找到实际触发的通道并调用注册的回调：

void DMA0_IRQHandler(void) { MXC_DMA_Handler(); }   // DMA1/2/3 相同
static void i2s_dma_callback(int ch, int err) {
    dma_done = 1;   // 只置标志，实际处理放到主循环
}

采集一帧——阻塞式设计：

static void capture_block(void)
{
    dma_done = 0;
    int ch = MXC_I2S_RXDMAConfig(i2s_rx_buffer,
                                 I2S_RX_WORDS * sizeof(i2s_rx_buffer[0]));
    if (ch < 0)
        fatal_blink("Error configuring I2S RX DMA");

    while (!dma_done) {}            // 阻塞等待 DMA 采满

    MXC_DMA_ReleaseChannel(ch);     // 释放通道，下一帧重新申请
}

MXC_I2S_RXDMAConfig内部完成了DMA初始化、申请通道、配置源（I2SRXFIFO）/目的（内存缓冲）/长度，并使能RX。DMA把每个到达的I2S字自动搬进i2s_rx_buffer，采满一整帧后触发中断置位dma_done，主循环退出忙等。DMA采集时序如下

每帧采集FFT_SIZE个立体声帧，每帧2个32-bit字（左、右），共FFT_SIZE*2个字。4个DMA中断向量统一路由到MXC_DMA_Handler。

信号处理（DSP）

信号处理流程为：提取左声道→归一化→加Hann窗→CFFT→求幅度

FFT（快速傅里叶变换）的作用为将时域信号x[n]变换到频域X[k]

$X [k] = \sum_{n = 0}^{N - 1} x [n] e^{- j 2 πkn / N}, k = 0, 1, \dots, N - 1$

对N=256点实信号做复数FFT，输出256个复数频点，但由于实信号频谱共轭对称，只有前128个（k=0-127）是独立有效的，正好1:1映射到屏幕的128列。每个频点k对应的物理频率为 $f_{k} = k \cdot f_{s} / N = k \times 62.5 Hz$ 。

DSP初始化如下，需要预计算窗函数与FFT实例

static void dsp_init(void)
{
    /* 预计算 Hann 窗以抑制频谱泄漏 */
    for (int i = 0; i < FFT_SIZE; i++)
        hann_window[i] = 0.5f * (1.0f - arm_cos_f32((2.0f * PI * i) / (FFT_SIZE - 1)));

    arm_cfft_init_f32(&cfft_inst, FFT_SIZE);   // 初始化 256 点 CFFT 实例
}

设计逐帧处理流程如下

static void process_block(float32_t *samples_out)
{
    for (int i = 0; i < FFT_SIZE; i++) {
        /* 24-bit 有符号采样位于 bit[31:8]，算术右移保留符号 */
        int32_t   s = ((int32_t)i2s_rx_buffer[i * 2]) >> 8;
        float32_t f = (float32_t)s / 8388608.0f;   // 归一化到 [-1, 1)，除以 2^23

        samples_out[i]        = f;                 // 保留原始样本给波形显示
        fft_buffer[2 * i]     = f * hann_window[i];// 复数实部 = 加窗后样本
        fft_buffer[2 * i + 1] = 0.0f;              // 复数虚部 = 0（实输入）
    }

    arm_cfft_f32(&cfft_inst, fft_buffer, 0, 1);    // 就地复数 FFT（0=正变换,1=位反转输出）
    arm_cmplx_mag_f32(fft_buffer, fft_mag, FFT_SIZE); // 每个频点求模 sqrt(re²+im²)
}

其中一些细节设计原因如下

取偶数下表i2s_rx_buffer[i*2]：立体声数据在缓冲区里左右交替存放：[L0,R0,L1,R1,...]。偶数下标[0,2,4...]就是左声道，本项目只用左声道。

Hann窗设计：FFT假设信号是周期性的，若一帧的首尾不连续会产生频谱泄漏（能量扩散到相邻频点）。Hann窗让帧两端平滑衰减到0，显著减少泄漏，其公式为 $w [n] = 0.5 \times (1 - cos (\frac{2 πn}{N - 1}))$

arm_cmplx_mag_f32：该函数实现对每个复数频点求模 $∣ X [k] ∣ = re^{2} + im^{2}$ ，得到幅度谱

TFT屏幕显示

设计静态UI画面，绘制画面的基本框架

static void draw_static_ui(void)
{
    MXC_TFT_SetBackGroundColor(BLACK);
    MXC_TFT_SetForeGroundColor(WHITE);

    text_t label;
    label.data = "Waveform"; label.len = 8;
    MXC_TFT_PrintFont(2, 5, (int)&Liberation_Sans12x12[0], &label, NULL);
    label.data = "Spectrum"; label.len = 8;
    MXC_TFT_PrintFont(2, SPEC_TOP - 13, (int)&Liberation_Sans12x12[0], &label, NULL);

    MXC_TFT_Line(0, WAVE_MID, SCREEN_W - 1, WAVE_MID, DARK_GREY);  // 波形中线
    MXC_TFT_Line(0, SPEC_BOT, SCREEN_W - 1, SPEC_BOT, DARK_GREY);  // 频谱基线

    /* 初始化"上一帧"状态：波形停在中线，频谱高度为 0 */
    for (int x = 0; x < SCREEN_W; x++) {
        prev_wave_y[x] = WAVE_MID;
        prev_spec_h[x] = 0;
    }
}

波形绘制（上半屏）

波形绘制的流程为逐列比较，每列只有一个波形点，若新点位置和上一帧相同就跳过，避免无谓的SPI写；若变了，先把旧点擦掉（恢复成背景色或中线色），再画新点。其流程如下

代码设计如下

static void draw_waveform(const float32_t *samples)
{
    for (int x = 0; x < SCREEN_W; x++) {
        float32_t f = samples[x * 2] * WAVE_GAIN;   // 256 样本→128 列，隔点取样
        int y = WAVE_MID - (int)(f * (WAVE_H / 2)); // 幅度映射为纵向偏移

        if (y < WAVE_TOP) y = WAVE_TOP;             // 限幅到波形区
        else if (y > WAVE_BOT) y = WAVE_BOT;

        if ((uint8_t)y == prev_wave_y[x]) continue; // 没变化→跳过，不写屏

        int py = prev_wave_y[x];                    // 擦除旧点：
        MXC_TFT_WritePixel(x, py, 1, 1,             // 若旧点在中线上则恢复中线色
                           (py == WAVE_MID) ? DARK_GREY : BLACK);
        MXC_TFT_WritePixel(x, y, 1, 1, GREEN);      // 画新点
        prev_wave_y[x] = (uint8_t)y;                // 更新状态
    }
}

频谱绘制（下半屏）

代码设计如下

static void draw_spectrum(void)
{
    for (int x = 0; x < NUM_BINS; x++) {
        float32_t mag = (x == 0) ? 0.0f : fft_mag[x];  // 跳过 DC 分量(bin 0)
        int h = (int)(mag * SPEC_GAIN);                // 幅度→柱高（像素）

        if ((float)h < SPEC_FLOOR) h = 0;              // 噪声门限，太矮当作 0
        else if (h > SPEC_H) h = SPEC_H;               // 限幅到频谱区高度

        int ph = prev_spec_h[x];
        if (h == ph) continue;                         // 高度没变→跳过

        if (h > ph)  // 柱子变高：只在顶部补画新增的段
            MXC_TFT_WritePixel(x, SPEC_BOT - h + 1, 1, h - ph, YELLOW);
        else         // 柱子变矮：擦除减少的段
            MXC_TFT_WritePixel(x, SPEC_BOT - ph + 1, 1, ph - h, BLACK);

        prev_spec_h[x] = (uint8_t)h;
    }
}

其中MXC_TFT_WritePixel(x,y,w,h,color)实际是"填充矩形"——这里用w=1、h=段高画一条竖线段。柱子变高时只补顶部新增的那几个像素（h-ph行黄色），变矮时只擦掉减少的那几个像素（ph-h行黑色），柱子中间不变的部分完全不动，从而提高刷新效率。

main函数启动序列

int main(void)
{
    MXC_Delay(MXC_DELAY_SEC(2));           // 等待调试器附着 / 电源稳定
    MXC_ICC_Enable(MXC_ICC0);              // 使能指令缓存，加速代码执行
    MXC_SYS_Clock_Select(MXC_SYS_CLOCK_IPO);
    SystemCoreClockUpdate();               // 100 MHz 主频

    i2c_init();      // 1. 先起 I2C（含总线恢复容错）
    codec_init();    // 2. 配置 CODEC（DAI 格式最后写！）
    i2s_init();      // 3. 起 I2S 从机 + DMA 中断
    dsp_init();      // 4. 音频通路就绪后再准备 DSP
    MXC_TFT_Init();  // 5. 最后起显示
    draw_static_ui();

    while (1) {                            // 主循环：采集→处理→显示
        capture_block();
        process_block(samples);
        draw_waveform(samples);
        draw_spectrum();
        LED_Toggle(1);                     // 心跳，指示循环在运行
    }
}

构建与运行

project.mk构建配置

MFLOAT_ABI    = hard          # 硬件浮点，CMSIS-DSP 必需
LIB_CMSIS_DSP = 1             # 引入 CMSIS-DSP（arm_cfft_f32 等）
PROJ_CFLAGS  += -DMAX32690GTK_PACKAGE_TQFN   # 修复 I2C2 引脚问题
FONTS = FONTS = LiberationSans12x12 LiberationSans24x24 LiberationSans28x28 LiberationSans16x16 # 引入字体

硬件连接

电脑的音频输出接口（台式机的绿色接口或笔记本耳机口）接入LINE_IN（J6）

P1_7和P1_8引脚的JP9和JP10跳线帽由原本的UART切换到I2C

实现效果

实现效果如下图所示

对于噪声门限、时域波形增益、频域波形增益，可以修改代码中的宏定义参数实现

#define WAVE_GAIN 50.0f ///< Vertical gain applied to the normalized waveform
#define SPEC_GAIN 300.0f ///< Linear gain applied to FFT magnitudes
#define SPEC_FLOOR 0.2f ///< Bars below this height (px) are treated as empty

活动总结

感谢电子森林和得捷电子举办的这次互动，MAX32690EVKIT开发板有着无比丰富的外设资源，ADI的库函数调用方式像将于别的MCU是另一种开发方式。在这个过程中，我对ADI的芯片的开发、CODEC的配置以及DMA对数据的传输有了更深的理解。同时不少踩坑是在AI工具的帮助下解决的，AI让我对新MCU有了更快速的认识与理解。