基于Arduino的RGB矩阵音乐节奏灯

内容介绍

项目来自：RGB Matrix Audio Visualizer with Arduino - Hackster.io

Github链接：protostax/ProtoStax_Audio_Visualizer_Demo: Demo for ProtoStax Audio Visualizer with Spectrum Shield, NeoPixel Shield and Arduino (github.com)

在这篇文章中，将为大家展示如何巧用Arduino、RGB LED矩阵扩展板和音频频谱分析扩展板，亲手打造一个RGB LED矩阵音频可视化器，并配上透明的亚克力外壳，为你的音乐带来一场美妙的灯光秀，增添一抹绚烂的光影！

介绍

对于音频频谱分析，本项目中使用的是SparkFun的频谱扩展板，它使用两个MSGEQ7图形均衡器显示滤波器，将立体声音频输入分割成7个频段（每个通道），并使用Arduino上的ADC读取每个频段的幅度。它附带了Arduino示例草图，以便开始使用。

对于RGB LED矩阵，本项目中使用的是Adafruit为Arduino设计的NeoPixel扩展板，它由40个RGB NeoPixels组成（Adafruit对他们的WS2812光源的术语）。红色、绿色和蓝色LED与驱动芯片集成在一起，通过单根导线进行控制。它们可以单独使用，串联成更长的灯串，或者组装成更有趣的形态。在扩展板上，它们是串联在一起的。扩展板还附带了Adafruit_NeoMatrix库，该库简化了对RGB LED矩阵的访问和LED的控制。

最后是外壳部分，本项目创建了一种新的可堆叠、模块化的外壳系统，叫做ProtoStax。它支持不同阶段的原型设计，提供保护和开放访问，以便在开始时使用，并有能力稍后添加侧壁和顶部，但也有能力水平堆叠或垂直堆叠多个单元，从而能够根据原型设计需求和其他板卡及组件的增加进行扩展。

本项目中使用ProtoStax for Arduino，一个为Arduino设计的透明亚克力外壳——它适合Uno/Leonardo尺寸以及更大的Mega/Due尺寸——这也是可堆叠和模块化的，并且有足够的空间容纳两个扩展板。采用了透明且坚固的亚克力材料，方便展示你的音频可视化器以及你的音乐系统！

步骤 1 - 将Arduino安装到外壳基座板上

首先将Arduino（以示例中的Uno为例）安装到外壳的基座板上。这样做可以在配置和设置Arduino时提供保护，同时提供完全开放的访问权限，以便进行操作和调整。当你准备将其封闭起来时，可以轻松地添加侧壁和顶板，并用螺丝将所有部件固定。

将Arduino安装到基座板上，并添加脚垫和其他硬件，以准备外壳的平板配置。请参阅下图所有步骤的动态演示图：

步骤 2 - 为 Arduino 准备 SparkFun 频谱扩展板

SparkFun频谱扩展板没有附带插座。幸运的是，Adafruit为Arduino设计的NeoPixel扩展板既附带堆叠插座也附带普通插座。由于想要NeoPixel扩展板位于顶部，本项目中使用普通插座，这样它就能平齐，这样就留下了堆叠插座供频谱扩展板使用。

但是，带有堆叠接头的 Spectrum Shield 并不紧密地适合，Arduino Uno 上的 USB 和电源端口会妨碍，如下图所示。

在此做了以下两项修改：

切断覆盖在USB和电源端口上的频谱扩展板的末端（那部分有原型区域，但未使用）这使得频谱扩展板能够紧密地安装在Arduino上。
即使如此，堆叠插座的腿可能仍然太长，导致频谱扩展板无法紧密贴合。稍微修剪堆叠插座的腿，以使频谱扩展板能够使用堆叠插座紧密地安装在Arduino上。

现在它很贴合！

步骤 3 - 将Adafruit NeoPixel扩展板插入到频谱扩展板的堆叠插座中

Adafruit NeoPixel Shield 位于 Spectrum Shield 之上。首先需要焊接常规接头（随附）。在本项目中还焊接了它附带的终端连接器，尽管在这个例子中，使用 Arduino 为其供电，因为所有 LED 不会同时亮起，所以功耗在Arduino能够提供的范围内。

来自Adafruit的NeoPixel扩展板页面的消息：

为了便于启动，LED 默认由 5V 板载 Arduino 电源供电。只要你不是让所有像素都以全功率白色点亮，那应该没问题。如果要使用外部电源为扩展板供电，请焊接随板附带的接线端子（专业提示：将其放在电路板底部，以免粘住）以连接到外部 4-6VDC 电源 - 该电源也将为 Arduino 和扩展板供电。如果您想使用接线端子为屏蔽层供电，但保持Arduino本身仅使用DC或USB电源，请将焊接跳线的中心切到接线端子的右侧。外部输入端有一个极性保护 FET，以防您将电源向后接线。

步骤 4 - 演示代码

代码分为两个主要部分：

频谱分析和保存结果
将其转换为 8x5 NeoPixel Matrix 的显示/配色方案。

演示代码链接：

https://github.com/protostax/ProtoStax_Audio_Visualizer_Demo/blob/master/ProtoStax_Audio_Visualizer_Demo.ino

频谱分析

参考 Spectrum Shield 连接指南，了解有关 Spectrum Shield 的更多信息。

通过将数字序列写入 Spectrum Shield 的 STROBE 和 RESET 引脚，可以初始化 Shield 使用的 MSGEQ7 芯片。然后，继续读取频谱被分成的 7 个不同频段中每个频段的幅度。每个频段被读取后，通过脉冲STROBE引脚来启动下一个频段的读取。这些值被存储在Frequencies_One[7]和Frequencies_Two[7]中，分别对应立体声输入的两个通道。使用Arduino的10位ADC读取这些值，因此输出值可以是0 - 1023之间，它们提供了每个频段的振幅的表示。

//Declare Spectrum Shield pin connections
#define STROBE 4
#define RESET 5
#define DC_One A0
#define DC_Two A1 
//Define spectrum variables
int freq_amp;
int Frequencies_One[7];
int Frequencies_Two[7]; 
int i;
  
void setup() { 
...
 //Initialize Spectrum Analyzers
 digitalWrite(STROBE, LOW);
 delay(1);
 digitalWrite(RESET, HIGH);
 delay(1);
 digitalWrite(STROBE, HIGH);
 delay(1);
 digitalWrite(STROBE, LOW);
 delay(1);
 digitalWrite(RESET, LOW);
...
}
  
void loop() {
...
  Read_Frequencies();
...
}
  
/*******************Pull frquencies from Spectrum Shield********************/
void Read_Frequencies(){
...
 //Read frequencies for each band
 for (freq_amp = 0; freq_amp<7; freq_amp++)
 {
   Frequencies_One[freq_amp] = (analogRead(DC_One) + analogRead(DC_One) ) >> 1 ;
   Frequencies_Two[freq_amp] = (analogRead(DC_Two) + analogRead(DC_Two) ) >> 1; 
...   
   digitalWrite(STROBE, HIGH);
   digitalWrite(STROBE, LOW);
 }
}

频谱的 7 个频段是：

63赫兹
160赫兹
400赫兹
1kHz
2.5k赫兹
6.25k赫兹
16k赫兹

将这些频段分为三个范围 - 低音（BASS）、中音（MID_RANGE）和高音（TREBLE）。典型的低音范围是 60 到 250 Hz，因此前两个频段在低音范围内。中频频率通常为 500 Hz 至 2 kHz，因此将接下来的 3 个频段归入中音范围，剩余的两个频段归入高音范围。

[注意：每个波段的最大读数到一个单独的变量中。这可能被用来自动将读数缩放到RGB矩阵列所代表的级别 - 这在输入信号较弱的情况下很有用，否则在这种情况下只有极少数 RGB 矩阵会亮起。]

RGB矩阵

可以参考 Adafruit NeoPixel Überguide 了解有关 NeoPixel Shield 和 NeoPixel 的更多信息。

首先要注意的是，在坐标系中，[0， 0] 总是指左上角，无论方向如何。接下来是记下您感兴趣的任何方向的宽度，然后是高度。

第三是注意物理 LED #0 的位置（以 Adafruit 标志为标志）。右上角、左上角、左下角和右下角，视情况而定。还要注意物理 LED 的进展方向。在本项目的电路板中，布局是渐进式的（一行结束后的下一个物理 LED 从下一行的开头开始，如黄线所示）。进展的方向在宽度更宽（水平方向）时是沿着行的（由短的绿色箭头指示），在宽度更窄（垂直方向）时是沿着列的（同样由短的绿色箭头指示）。

以下图片说明了这些：

在示例中，有 7 个频段和一个 8 x 5（或 5 x 8，取决于您查看它的方式！本项目中选择沿着8的维度展示这7个频率带（留下一个未使用）。然后沿着5的维度展示每个频率带的幅度表示。

原点从左下角开始（代表最低频段的最低电平），然后向上移动。但由于在坐标系统中首先要记住的是[0, 0]总是指左上角，因此您应该将头向左倾斜并查看下图，以了解初始化 NeoMatrix 的值选择！（宽度 = 5，高度 = 8，右上角，逐行列）

现在来深入研究一下与 NeoMatrix 相关的演示代码并绘制频率图。首先，确定 NeoPixel 的宽度=5，高度=8，我们选择的朝向是右上角（TOP-RIGHT），并且列是递增的（COLUMNS PROGRESSIVE）。按照setup()函数中所需的矩阵设置进行操作。

在 loop（）中，读取任何串行输入以选择配色方案，本项目中定义了 3 种不同的配色方案

enum SCHEME {
 MAGNITUDE_HUE = 0,
 MAGNITUDE_HUE_2 = 1,
 HSV_COLOR_WHEEL = 2
};

接着，根据选定的颜色方案调用Graph_Frequencies函数。同时请注意，该函数的第一个参数可以选择要展示的频率范围（低音、中音或高音）。

enum RANGE {
 BASS = 0,
 MID_RANGE = 1,
 TREBLE = 2,
 ALL = 3
};

现在，选择所有要显示的范围，通过串行输入或包括一个瞬时按钮在 BASS、MID_RANGE、TREBLE 或 ALL 之间切换显示。RANGE的选择决定了要显示的行的起始和结束范围。

对于每一行（频段），选取立体声输入的左右两个声道中较大的频率幅度。该值介于 0 和 1023 之间，需要将其映射到显示器的 5 个不同的列中，因此将频率除以FREQ_DIV_FACTOR（1023/204 = 5，它将输出 1023 映射到 5）。为了安全起见，确保要显示的 numCol 不大于 5，这决定了要为每个频段显示的列数。

然后使用matrix.drawPixel()函数来以正确的颜色显示正确的像素。

在图形显示中使用 HSV 色轮，通常，通常情况下，使用方法是matrix.drawPixel(column, row, Color(r, g, b))，这里Color(r, g, b)代表由红色、绿色和蓝色值定义的颜色。然而，使用HSV可以带来一些平滑的颜色渐变效果。

NeoMatrix提供了matrix.ColorHSV(uint16_t hue)方法，它接受一个uint16_t的色调值并返回一个uint32_t的HSV颜色。

但是，matrix.Color(r, g, b)返回的是uint16_t颜色。matrix.drawPixel()也期望一个16位的颜色值。

解决此问题的方法是使用 matrix.setPassThruColor（32 位颜色值）。这将在矩阵中设置一个标志，使 drawPixel 忽略其颜色参数，使用上述方法已设置的 32 位颜色。只需记住调用 matrix.setPassThruColor（）来重置该标志。

  static uint16_t hue = 0; //21845 22250 to -250 
  uint16_t hueDelta = 200;
  hue += hueDelta;
...         
       rgbcolor = matrix.ColorHSV(hue);
...
       matrix.setPassThruColor(rgbcolor);      
       matrix.drawPixel(col, row, (uint16_t)0); // color does not matter here 
       matrix.setPassThruColor();
...
matrix.show();

使用 HSV，可以递增16位的色调值并生成HSV颜色码，这样就可以实现颜色的平滑过渡。

以下是供参考的不同代码片段：

#define NEO_MATRIX_WIDTH 5
#define NEO_MATRIX_HEIGHT 8
#define NEOPIXEL_PIN 6 // Shield maps it to pin 6
Adafruit_NeoMatrix matrix = Adafruit_NeoMatrix(NEO_MATRIX_WIDTH, NEO_MATRIX_HEIGHT, NEOPIXEL_PIN,
 NEO_MATRIX_TOP     + NEO_MATRIX_RIGHT +
 NEO_MATRIX_COLUMNS + NEO_MATRIX_PROGRESSIVE,
 NEO_GRB            + NEO_KHZ800);
  
....
  
void setup() {
...
 matrix.begin();
 matrix.setTextWrap(false);
 matrix.setBrightness(40);
 matrix.fillScreen(0);
 matrix.show();
...
}
  
void loop() {
 static int scheme = 0;
 while (Serial.available() > 0) {
   scheme = Serial.parseInt();
 }
...
 Graph_Frequencies(ALL, scheme);
...
 delay(50);
}
  
void Graph_Frequencies(CHANNEL c, SCHEME s){
...
  for( row= from; row<to; row++)
  {
    int freq = (Frequencies_Two[row] > Frequencies_One[row])?Frequencies_Two[row]:Frequencies_One[row]; 
    int numCol = (freq/FREQ_DIV_FACTOR);
    if (numCol > 5) numCol = 5;
    for (int col = 0 ; col < numCol ; col++) {
... // pick color scheme to display
       matrix.setPassThruColor(rgbcolor);      
       matrix.drawPixel(col, row, (uint16_t)0); // color does not matter here 
       matrix.setPassThruColor();
       //matrix.show();
    }
    matrix.show();
  }
}

接下来是配色方案的选择。请注意，我已经预留了根据不同频率范围选择颜色的选项（低音色调、中音色调、高音色调）。我创建了 3 种不同的配色方案 - 一种方案是从最低幅度到最高幅度使用绿色至红色/粉色的渐变，另一种方案使用更多偏向粉色/蓝色的范围。第三种方案则是所有像素使用单一颜色，但在运行时会循环遍历整个色轮。

switch(s) {
       case MAGNITUDE_HUE:
         bassHue = 22250; 
         midHue = 22250; //54613 
         trebleHue = 22250; //43690
         if (row >= 0 && row < 2) {
           rgbcolor = matrix.ColorHSV(bassHue - (7416 * col) );      
         } else if (row >= 2 && row < 5) {
           rgbcolor = matrix.ColorHSV(midHue - (7416 * col) );      
         } else if (row >= 5 && row < 7) {
           rgbcolor = matrix.ColorHSV(trebleHue - (7416 * col) );      
         } 
         break;          
       case MAGNITUDE_HUE_2:
         bassHue = 54613; 
         midHue = 54613; //54613 
         trebleHue = 54613; //43690        
         if (row >= 0 && row < 2) {
           rgbcolor = matrix.ColorHSV(bassHue - (7416 * col) );      
         } else if (row >= 2 && row < 5) {
           rgbcolor = matrix.ColorHSV(midHue - (7416 * col) );      
         } else if (row >= 5 && row < 7) {
           rgbcolor = matrix.ColorHSV(trebleHue - (7416 * col) );      
         }        
         break;
       case HSV_COLOR_WHEEL:
         rgbcolor = matrix.ColorHSV(hue);
         break;
      }

步骤 5 - 完成组装

图中安装顶部支撑元件、侧壁、音频线和顶部。请参照以下步骤：

步骤 6 - 展示您的创作，让美妙的音乐更加美丽！

现在你可以拥有一个有趣的音频节奏灯，你可以将其展示在你的音乐系统旁边，让你自制的酷炫灯光效果增强音乐体验！

步骤 7 - 更进一步

这里有一些想法可以让项目走得更远！

目前，音频线（输入和输出）插入外壳中的频谱扩展板，因此你将有这些电线连接并悬挂在外壳外面。相反，您可以在 Spectrum 扩展板的立体声插孔附近的侧壁上添加几个面板安装立体声插孔，然后将音频线焊接到每个插孔上，然后将它们插入 Spectrum 扩展板的音频插孔。在这种情况下，外壳会变得非常整洁，并且所有接线都是独立的，外壳上只有音频插孔供外部系统插入。
可以向音频可视化工具添加更多甚至更多的灯光方案 - 不同的颜色范围，不同的图案。
添加使用串行输入启用/禁用频率范围的选项 - 目前只能更改配色方案，但不能更改要显示的频率范围。
添加一个开关以在不同配色方案之间切换，而不是使用串行输入。修改外壳，在其中一个长侧壁上添加一个孔，以容纳面板安装瞬时按钮开关（列在使用的“物品”列表中）。
添加第二个开关来切换显示的不同频率范围（低音、中音、高音、全部），并将该开关安装在外壳的侧壁上。
由于外壳由亚克力制成，可以使用一些胶带来保护表面，并使用钻头钻一个所需尺寸的孔以安装面板安装的立体声插孔和/或开关。建议使用阶梯钻头，或者从一个较小的孔开始，然后扩大孔直到达到所需的尺寸。立体声插孔需要一个5/16英寸的安装孔，开关需要一个0.47英寸的安装孔。
轻轻均匀地打磨顶板的顶面。这将充当光扩散器，会有一个更分散、更柔和的光效果。