【Follow me第二季第4期】任务四 RGB LED亮度显示PDM麦克风收到的声音大小

Netseye

【Follow me第二季第4期】任务四 RGB LED亮度显示PDM麦克风收到的声音大小 [复制链接]

本帖最后由 Netseye 于 2024-12-6 16:11 编辑

要在 Arduino Nano RP2040 Connect 上通过 RGB LED 显示 PDM 麦克风 收到的声音大小，可以通过读取麦克风的音量数据，并根据音量调整 RGB LED 的颜色和亮度。

主要步骤：

读取 PDM 麦克风音频数据。
计算音频信号的强度（音量）。
调整 RGB LED 的颜色和亮度，根据音量大小显示不同的效果。

实现

计算声音的大小（音量或振幅）通常需要对采样数据进行处理。在数字音频处理中，声音的大小可以通过计算振幅的平均值或最大值来近似表示。以下是几种常见的计算方法：

1. 峰值振幅法（Peak Amplitude）

计算采样数据中的最大或最小振幅，取绝对值的最大值。

int16_t getMaxAmplitude(short *buffer, int length) {
  int16_t maxAmplitude = 0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    int16_t amplitude = abs(buffer[i]);
    if (amplitude > maxAmplitude) {
      maxAmplitude = amplitude;
    }
  }
  return maxAmplitude;  // 返回最大振幅
}

优点：简单、直观。
缺点：容易受短时间内的尖锐噪声影响。

2. 均方根法（RMS，Root Mean Square）

RMS 是衡量声音能量的常用方法，它计算采样值的平方平均再开方，能更稳定地反映声音的大小。

float getRMSAmplitude(short *buffer, int length) {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    sum += (long)buffer[i] * buffer[i];  // 计算平方和
  }
  float rms = sqrt(sum / (float)length);  // 计算平方平均值并开方
  return rms;
}

优点：更稳定，能更准确地反映整体音量。
缺点：计算稍微复杂一些。

3. 平均绝对振幅法（Mean Absolute Amplitude）

计算所有采样值的绝对值平均。

float getAverageAmplitude(short *buffer, int length) {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    sum += abs(buffer[i]);  // 计算绝对值和
  }
  return sum / (float)length;  // 返回平均值
}

优点：简单且能消除正负波形的抵消影响。
缺点：没有 RMS 稳定，但比峰值法好。

能够更灵敏一些我们采用峰值振幅法（Peak Amplitude） 来计算音量

您可以根据 音量 值的大小划分不同的等级。例如，设置 4 个等级：

低音量：音量 值在 0 到 300 范围内
中低音量：音量 值在 300 到 500 范围内
中高音量：音量 值在 500 到 3000 范围内
高音量：音量 值大于 3000

将 音量 值映射到 LED 亮度或颜色：

根据音量等级，设置 LED 的颜色或亮度。例如：

低音量：红色 LED 亮起
中低音量：绿色 LED 亮起
中高音量：蓝色 LED 亮起
高音量：RGB 全亮

代码示例：

以下代码实现了通过 RGB LED 显示声音的强度，根据声音的大小变化调整 LED 的亮度和颜色。

#include <PDM.h>
#include <WiFiNINA.h>

// 默认输出通道数
static const char channels = 1;

// 默认 PCM 输出频率
static const int frequency = 20000;

// 用于读取样本的缓冲区，每个样本是 16 位
short sampleBuffer[512];

// 已读取的音频样本数量
volatile int samplesRead;

void setup() {
  Serial.begin(9600);  // 初始化串口通信
  while (!Serial);  // 等待串口连接

  pinMode(LEDR, OUTPUT);  // 设置红色 LED 引脚为输出
  pinMode(LEDG, OUTPUT);  // 设置绿色 LED 引脚为输出
  pinMode(LEDB, OUTPUT);  // 设置蓝色 LED 引脚为输出
  // 配置数据接收回调函数
  PDM.onReceive(onPDMdata);

  // 初始化 PDM 麦克风：
  // - 一个通道（单声道模式）
  // - 20 kHz 采样率
  if (!PDM.begin(channels, frequency)) {
    Serial.println("无法启动 PDM!");
    while (1);  // 启动失败时停止程序
  }
}

void loop() {
  // 等待读取样本
  if (samplesRead) {
    float rms = getMaxAmplitude(sampleBuffer, samplesRead);
    controlLEDs(rms);
    Serial.println(rms);
    // 清空已读取的样本数量
    samplesRead = 0;
  }
}

void onPDMdata() {
  // 查询可用字节数
  int bytesAvailable = PDM.available();

  // 从 PDM 麦克风读取数据到样本缓冲区
  PDM.read(sampleBuffer, bytesAvailable);

  // 16 位样本，每个样本占 2 字节
  samplesRead = bytesAvailable / 2;
}

int16_t getMaxAmplitude(short *buffer, int length) {
  int16_t maxAmplitude = 0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    int16_t amplitude = abs(buffer[i]);
    if (amplitude > maxAmplitude) {
      maxAmplitude = amplitude;
    }
  }
  return maxAmplitude;  // 返回最大振幅
}
void controlLEDs(float rms) {
  // 按 RMS 值进行分级
  if (rms < 300) {
    digitalWrite(LEDR, HIGH);
    digitalWrite(LEDG, LOW);
    digitalWrite(LEDB, LOW);
  } 
  else if (rms < 500) {
    digitalWrite(LEDR, LOW);
    digitalWrite(LEDG, HIGH);
    digitalWrite(LEDB, LOW);
  }
  else if (rms < 3000) {
    digitalWrite(LEDR, LOW);
    digitalWrite(LEDG, LOW);
    digitalWrite(LEDB, HIGH);
  } 
  else {
    digitalWrite(LEDR, HIGH);
    digitalWrite(LEDG, HIGH);
    digitalWrite(LEDB, HIGH);
  }
}

代码说明：

初始化 PDM 麦克风：
1. PDM.begin(1, 16000) 启动单声道，采样率为 16kHz。
2. 设置回调函数 PDM.onReceive(onPDMdata) 处理采样数据。
计算最大振幅：
1. getMaxAmplitude() 函数计算采样数据中的最大振幅，反映音频信号的强度。
RGB LED 控制：
1. setLEDColor() 函数将音量值映射到 LED 的亮度。map() 函数将音量值（0 到 255）映射到 RGB LED 的亮度值。
2. 使用红色和绿色 LED 显示不同的颜色，蓝色 LED 不随音量变化。
音量和颜色映射：
1. 随着音量的增大，红色和绿色 LED 的亮度增亮，从而实现声音大小与 RGB LED 亮度和颜色的动态显示。

调试：

上传代码：将代码上传到 Arduino Nano RP2040 Connect 板子。
串口监视器：打开串口监视器查看音量数据。
LED 反馈：观察 RGB LED 的颜色和亮度变化，根据麦克风拾取到的音频信号显示不同的颜色和亮度。

Jacktang

调试的时候应该配个图说下哈

Netseye

想着视频总结的时候发一下好了.