關(guān)于使用MSGEQ7音頻頻譜分析儀芯片的所有您想知道（但又害怕問到）的信息。

多年來，我已經(jīng)在幾欄中討論過使用MSGEQ7頻譜分析儀芯片的問題，但是我仍然收到問題，因此我認(rèn)為將所有相關(guān)信息集中到一個(gè)位置可能是個(gè)好主意。

音頻響應(yīng)項(xiàng)目

首先，讓我們進(jìn)行場景設(shè)置。假設(shè)我們想創(chuàng)建一些對聲音有反應(yīng)的東西，例如我當(dāng)前的Audio-Reactive Box項(xiàng)目。您可能還記得，這涉及到一個(gè)裝有假真空管的小假古董手提箱。這些燈管將使用三色LED聚寶盆從下面照亮。下圖反映了剛安裝完電子管后盒子的狀態(tài)-下一步是在電子設(shè)備上工作（我將在以后的專欄中進(jìn)行討論）。

如果我們希望我們的項(xiàng)目（在這種情況下為盒子）對外部聲音做出反應(yīng)，那么我們將需要一個(gè)麥克風(fēng)。此類項(xiàng)目的一個(gè)很好的解決方案是MEMS駐極體麥克風(fēng)（一種基于靜電電容的麥克風(fēng)），并在分線板（BOB）上配有一個(gè)小型放大器。

選項(xiàng)1：將音頻輸入到MCU中（不進(jìn)行FFT）

一種選擇是將麥克風(fēng)BOB的輸出直接輸入到微控制器（MCU）上的模擬輸入。對于我的大多數(shù)項(xiàng)目，我喜歡使用廉價(jià)而快樂的Arduino Nano，Uno或Mega MCU開發(fā)板。盡管這些在性能上都受到一些限制（8位數(shù)據(jù)總線，16MHz時(shí)鐘，各種內(nèi)存以及不同數(shù)量的輸入/輸出引腳），但我真的很喜歡這些小技巧。

將音頻信號直接饋送到MCU（來源：Max Maxfield）

觀察到我已經(jīng)顯示了七個(gè)從MCU發(fā)出的LED（或LED串）。實(shí)際上，由于我們將要使用基于WS2812的NeoPixels，它們可以菊花鏈連接在一起并且可以單獨(dú)控制，因此我們可以用單個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)所有LED，但是顯示7串字符串將使事情變得更加清晰。

理想情況下，對于此設(shè)置，麥克風(fēng)BOB的輸出應(yīng)具有2.5V的DC偏置和5V的pp（峰峰值）擺幅，這與Arduino Nano / Uno / Mega的電源匹配（一個(gè)選項(xiàng)這是來自Adafruit的具有可調(diào)增益的MAX4466）。Arduino使用10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這意味著當(dāng)我們對音頻信號執(zhí)行AnalogRead（）函數(shù)時(shí)，Arduino會將0至5V之間的輸入電壓映射為0至1023之間的整數(shù)值。

現(xiàn)在，您可能在想，由于我們的LED要求控制值的范圍是0到255，所以這意味著我們需要將ADC的0到1023的值映射到LED的0到255的等效值，但是還不止這些這很復(fù)雜。假設(shè)我們從5Vpp正弦波開始，如下圖（a）所示：

處理正弦波（來源：Max Maxfield）

在這種情況下，如果我們在一定數(shù)量的讀數(shù)上對樣本取平均值，則最終的平均值為511。問題是，如果我們要對4Vpp信號中的多個(gè)樣本取平均值，我們將獲得相同的511值。一個(gè)3Vpp信號，或者…您明白了。

因此，我們需要做的第一件事就是校正信號，如上面的（b）所示。我們可以使用一個(gè)簡單的公式來做到這一點(diǎn)，如下所示：如果數(shù)字樣本的值等于或大于512，我們將其保持原樣。如果它的值為511或更低，則將其從1,023中減去。接下來，我們需要消除直流偏置，這是通過從每個(gè)值中減去511來實(shí)現(xiàn)的，如上面的（c）所示。

最后，我們需要將0到511的值映射到LED所需的0到255的值，如上面的（d）所示。我們可以使用Arduino的map（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。另外，我們可以簡單地將0到511的值除以2，或者將它們向右移一位，這兩者將具有相同的效果。（如果BOB的輸出具有不同的DC偏置和/或較小的pp擺幅-例如1.25V的DC偏置和2Vpp擺幅，則可以在軟件中適當(dāng)?shù)刂匦驴s放/預(yù)處理信號。）

使用上述基本設(shè)置，每次采樣時(shí)，我們可以從音頻信號中收集到的唯一信息就是其當(dāng)前幅度。關(guān)于驅(qū)動(dòng)我們的LED，我們可以利用這些信息做幾件事。例如，我們可以用相同的顏色驅(qū)動(dòng)所有LED，同時(shí)根據(jù)音頻信號的幅度改變它們的強(qiáng)度?；蛘撸覀兛梢詫⑺蠰ED完全驅(qū)動(dòng)，同時(shí)根據(jù)音頻信號的幅度改變它們的顏色。而且，當(dāng)然，我們可以結(jié)合使用這些技術(shù)。

記住我們正在設(shè)想七串（組）LED，另一種可能性是將音頻信號分成七個(gè)“振幅帶”。每次采樣信號時(shí)，我們都會決定要點(diǎn)亮哪些LED。如果信號落入最低振幅帶，我們可以簡單地點(diǎn)亮第一串LED。如果信號落入下一個(gè)振幅帶，我們可以僅驅(qū)動(dòng)第二串LED，或者我們可以決定同時(shí)驅(qū)動(dòng)第一串和第二串LED。依此類推，直到信號落入最高振幅帶，此時(shí)我們只能驅(qū)動(dòng)第七串LED，或者我們可以決定驅(qū)動(dòng)所有的LED。而且，當(dāng)然，我們還可以嘗試各種琴弦的振幅和顏色。

選項(xiàng)2：使用FFT軟件將音頻輸入到MCU中

如果我們決定將音頻信號分成單獨(dú)的頻段，事情將變得越來越有趣。例如，在這種情況下，我們可以使用底鼓的節(jié)拍來控制一組LED，而另一組可以響應(yīng)較高的頻率，例如一分錢的汽笛聲。

盡管隨著年齡的增長，我們聽到較高頻率的能力會下降，但是人類的正常聽力范圍會覆蓋20到20,000Hz之間的頻率。假設(shè)我們將0到20,000Hz的范圍分成以63Hz，160Hz，400Hz，1,000Hz，2,500Hz，6,250Hz和16,000Hz為中心的七個(gè)重疊頻段，如下所示：

將音頻信號劃分為七個(gè)頻段（來源：Max Maxfield）

在這種情況下，我們可以使用七個(gè)頻帶的幅度來控制七組LED的強(qiáng)度和/或顏色，但是如何從麥克風(fēng)BOB的音頻信號中提取該頻帶信息呢？

不錯(cuò)，一種選擇是使用在MCU上運(yùn)行的軟件算法來實(shí)現(xiàn)FFT（快速傅立葉變換）功能。此功能可用于將我們的信號從其原始時(shí)域形式轉(zhuǎn)換為頻域中的相應(yīng)表示形式。

將音頻信號直接饋送到運(yùn)行SW FFT的MCU（來源：Max Maxfield）

軟件（SW）FFT可能需要計(jì)算，但是如果您真的想走這條路，可以使用許多Arduino FFT庫（有關(guān)更多信息，請參見Adafruit的Piccolo Music Visualizer項(xiàng)目）。

說實(shí)話，如果我想使用軟件FFT的，我可能會使用一個(gè)32位Teensy 3.2（72MHz的的Cortex-M4型）或Teensy 3.6（基于的Cortex-M4F-180MHz的）單片機(jī)開發(fā)板從PJRC，以及出色的音頻FFT庫。但是，我個(gè)人更喜歡使用硬件（HW）FFT替代方案，如下所述。

選項(xiàng)＃3：通過MSGEQ7音頻頻譜分析儀提供音頻
讓我們從建議的系統(tǒng)的高級視圖開始。在這種情況下，來自麥克風(fēng)BOB的輸出被饋入一個(gè)名為MSGEQ7的漂亮的8針小芯片，該芯片由一家名為Mixed Signal Integration的公司創(chuàng)建。該音頻頻譜分析儀芯片可與3.3V和5V MCU配合使用，將音頻信號劃分為前面討論的七個(gè)頻段，并以一種易于我們的MCU輕松訪問的形式顯示與這些頻段相關(guān)的幅度數(shù)據(jù)。稍后）。

通過MSGEQ7硬件FFT饋送音頻信號（來源：Max Maxfield）

這種方法的最好之處在于，它可以消除您（和您的MCU）的所有辛苦工作。您要做的就是從MSGEQ7訪問頻帶幅度數(shù)據(jù)，然后決定如何使用它來驅(qū)動(dòng)LED。

非常重要：該MSGEQ7數(shù)據(jù)表是不是很有益，因?yàn)槿藗兛赡芟Ｍ?，但它意味著該裝置預(yù)計(jì)有0.3Vpp（即300mVpp）擺動(dòng)的音頻輸入。這意味著您必須相應(yīng)地選擇麥克風(fēng)。我將在以后的專欄中討論不同的麥克風(fēng)替代品。就目前而言，我只是注意到我的好友史蒂夫·曼利（Steve Manley）已成功將MSGEQ7與來自SparkFun的男生和女歌手的INMP401 MEMS麥克風(fēng)BOB配合使用（該視頻的鏈接在本專欄的稍后部分將展示史蒂夫的解決方案）。據(jù)說該BOB“在話筒保持臂長并以正常的對話音量進(jìn)行通話時(shí)，具有約200mV的峰峰值輸出?！?/p>

介紹MSGEQ7
因此，我們來介紹一下MSGEQ7本身。通孔（LTH）和表面貼裝技術(shù)（SMT）封裝都提供這種小流氓。LTH版本可從SparkFun獲得，價(jià)格僅為4.95美元（也提供MSGEQ7 BOB；我們將在短期內(nèi)返回這些內(nèi)容）

8針MSGEQ7頻譜分析儀芯片和引腳排列（來源：Max Maxfield）

觀察到只有一個(gè)DATA_OUT信號，那么我們?nèi)绾问褂盟鼇碓L問與七個(gè)頻段關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)？為了回答這個(gè)問題，我們需要考慮一下MSGEQ7內(nèi)部的框圖，如下所示：

MSGEQ7框圖（來源：Max Maxfield）

這種工作方式是，我們使用來自MCU的兩個(gè)數(shù)字輸出來驅(qū)動(dòng)RESET和STROBE信號，并且使用MCU上的模擬輸入來從DATA_OUT信號中讀取值。首先，我們在RESET信號上使用一個(gè)正向脈沖來告知MSGEQ7，我們正在準(zhǔn)備訪問其數(shù)據(jù)，然后在STROBE信號上使用一系列的七個(gè)負(fù)向脈沖來讀取與這七個(gè)頻率相關(guān)的數(shù)據(jù)樂隊(duì)。此數(shù)據(jù)表示為0V至5V之間的模擬電壓（對于3.3V供電的MCU /系統(tǒng)，則為0V至3.3V），如果是Arduino及其10位ADC，則將轉(zhuǎn)換為0到1023之間的整數(shù)值。

MSGEQ7時(shí)序圖（來源：Max Maxfield）

當(dāng)然，我們會反復(fù)進(jìn)行此操作，從MSGEQ7讀取數(shù)據(jù)，然后使用此數(shù)據(jù)來決定我們希望如何驅(qū)動(dòng)LED。下面是一個(gè)示例Arduino函數(shù)，用于訪問此數(shù)據(jù)并將其存儲在7個(gè)元素的整數(shù)數(shù)組中，這些整數(shù)稱為bands []：

觀察到我并沒有費(fèi)心在兩個(gè)對RESET信號進(jìn)行脈沖的digitalWrite（）語句之間添加延遲，因?yàn)樗恢付樽钚≈禐?00ns（0.1us），該最小值很小，以至于它被固有的延遲所淹沒。函數(shù)調(diào)用自己。

MSGEQ7電路圖和分支電路板

如果計(jì)劃使用單個(gè)MSGEQ7處理單個(gè)（單聲道）音頻流，則要使用的電路圖如下所示：

具有單聲道輸入的單個(gè)MSGEQ7（來源：Max Maxfield）

觀察到C2顯示為0.1uF（該電容器可消除輸入音頻信號中的任何DC偏置）。官方MSGEQ7數(shù)據(jù)手冊中的等效電容器顯示為0.01uF，但這是不正確的。

如果您希望使用單個(gè)MSGEQ7來處理雙（立體聲）音頻流，則可以通過添加一個(gè)額外的22KΩ電阻來修改上圖的輸入，如下所示：

支持立體聲輸入的單個(gè)MSGEQ7（來源：Max Maxfield）

與自己進(jìn)行接線相反，您可以從eBay購買MSGEQ7 BOB。售價(jià)$ 15.95加上運(yùn)費(fèi)，這雖然有點(diǎn)貴，但這確實(shí)意味著您可以實(shí)地工作。需要注意的一點(diǎn)是，默認(rèn)情況下，它將附帶5針接頭連接器和立體聲插孔。如果您愿意，賣方將保留這些附件，但您下訂單時(shí)必須要求。

正如您在本視頻中看到的那樣，在Cunning Chronograph中實(shí)現(xiàn)音樂模式時(shí)，我使用了一個(gè)帶有雙輸入的MSGEQ7。

在這種情況下，與使用麥克風(fēng)不同，我直接從iPod的耳塞/耳機(jī)插孔中喂入了MSGEQ7。相比之下，正如您在本視頻中看到的那樣，我的好友史蒂夫·曼利（Steve Manley）使用我們之前簡要提到的SparkFun的INMP401 MEMS麥克風(fēng)BOB在他的狡猾計(jì)時(shí)碼表中駕駛了MSGEQ7。

當(dāng)然，對于某些事情（例如我的BADASS顯示器），您想要實(shí)現(xiàn)真正的立體聲功能。在這種情況下，您可以使用兩個(gè)MSGEQ7芯片來處理左右聲道的音頻流（您可以使用MCU的單個(gè)輸出來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MSGEQ7上的RESET引腳；類似地，您可以使用單個(gè)輸出來驅(qū)動(dòng)STROBE引腳）。

通過觀看BADASS顯示器早期原型的視頻，您可以更好地了解所有這些工作原理。

編輯：hfy