引言
音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，利用喷泉来表现音乐的美，令人赏心悦目。目前许多单位均推出了自己的音乐喷泉，取得了良好的效果。但纵观这些音控产品，有的利用音乐的时域变化来控制喷泉，有的将音乐分成几个频段来控制喷泉的花型，且多采用低频、中频和高频三个频段来控制。缺点是都没有在频域上很好地展现音乐，因此不能很好地体现音乐的内涵。本设计针对这些问题，提出了一种新的方法来控制喷泉的变化，通过喷泉水柱的喷射高低来实时地展现音乐的频谱。
总体设计
首先对音频信号进行放大、滤波、采样和A/D转换等预处理，经过DSP对音频信号进行傅立叶变换，可以得到音频信号的频谱，即各频率对应声音信号的强度，通过变频控制系统就可以将频谱图用喷泉的水柱表现出来，水柱的高低按线性比例反映音频信号的幅度。设每次对音频信号的采样个数为n，系统总的结构如图(1)所示。
具体设计
芯片及功能模块介绍
TLV320AIC23(简称AIC23)是一个高性能的多媒体数字语音编解码器，它的内部ADC和DAC转换模块带有完整的数字滤波器。内部有11个16位寄存器，控制接口具有SPI和I2C工作方式。数据传输宽度可以是16位，20位，24位和32位，采样频率范围支持从8kHz到96kHz。在ADC采集达到96kHz时噪音为90-dBA，能够高保真的保存音频信号。在DAC转换达到96kHz时噪音为100-dBA，能够高品质的数字回放音频。
TMS320C6713是TI公司生产的一种高速数字信号处理器(DSP)，他采用先进的超长指令字(VLIW)结构，每时钟周期可以执行8条32b指令，最高时钟频率可以达到300MHz，指令周期最小3.3ns。该芯片具有丰富的片内存储器资源和多种片上外设，外部总的存储器地址空间最大512MB，数据宽度为32b，可以支持SBRAM，SDRAM，SRAM，FALSH和EPROM。
TMS320C6713中有两个多通道缓冲串口(McBSP)，可以方便地利用这两个McBSP完成对AIC23的控制和通信。
硬件连接
TMS320C6713与TLV320AIC23的连接
TMS320C6713的两个多通道缓冲串口分别配置成I2C模式和SPI模式McBSP0作为数据的发送端口，McBSP1作为控制端口，对AIC23写控制字TMS320C6713与AIC23的硬件连接图如图2所示。
变频控制系统设计
变频控制系统是由变频控制器、变频分配器和变频器构成。对于8路以下的控制系统变频控制系统可采用图3所示的控制方法。
经DSP处理后的音乐信号自动转换成变频调速器所要求的4~20mA直流电流信号。输出直流电流信号与输入的音乐信号大小成线性关系，使喷泉的喷高随音乐信号大小变化。
对于8路以上的多路喷泉控制可以采用扩展音乐喷泉控制器和变频演示仪功能的方式来满足要求。DSP作为变频型音乐喷泉控制系统的控制中心，以后以4路进行扩展，分别为4路、8路、12路、16路……，以此类推。每路控制一台变频调速器，将音乐信号转换成变频调速器所能接受的4~20mA直流电流信号，来驱动变频调速器，使喷泉的喷高随音乐信号的大小而变化。
软件实现
总统软件设计
首先初始化McBSP0口和McBSP1口，配置AIC23，然后启动AIC23的A/D转换，将
由麦克风输入的模拟音频信号进行采样，然后对采样到的音频信号进行傅立叶变换，总体流程框图如图4所示。离散傅立叶变换(DFT)的公式见公式1，为了进行快速傅立叶变化，采取时间抽取(DIT)基2FFT算法。
对N点音频信号进行FFT变换，由公式1可知对应到频域上也是N点，设频域上对应第k点的频率为fk，则其计算公式见公式2。其中fs为音频信号的采样频率，f'k为归一化频率，f'k的计算公式见公式3。因此由公式2和公式3可以得出频谱图上每个采样点对应的实际频率值。
1、采样频率
根据采样定理，采用频率至少应该是采样声音频率的2倍。由于人耳所能感受的频率大约为20Hz~20kHz，所以理论上采用频率最好取40kHz即可。实际上由于设备的原因，采用频率一般要高出10%，即44kHz。由于AIC23支持44.1kHz，所以本设计中采样频率选用44.1kHz。
2、样本大小
样本大小决定了可能录制声音的最低幅度和最高幅度的差距，代表了采样的量化大小。声音的强度正比于声音的幅度。与频率一样，人耳对声音强度的感受能力不是成线性关系，而是成对数关系，常用dB(分贝)来表示。dB的定义为：20log(A1/A2)，A1，A2为声音的两个幅度。
当采用大小为8位时，那么声音的最大和最小的幅度比为256，则：20log(256)=48dB，当采用大小为16位时，那么声音的最大和最小的幅度比为65536，则：20log(65536)=96dB此时最大声强已经接近于人耳的极限。本设计中样本大小选用16位。
