arduino - Arduino 可以在微秒内采样 1-4 kHz 的音频吗？

Question

我刚刚连接了 electret microphone到 Arduino，我想在 1  kHz 的范围内进行采样和 4kHz。

我知道这仅限于机器代码和 ADC ，所以我试图保留 sketch简单。

是否可以使用下面的草图在这些频率之间进行采样？

const int analogPin = 0;
int ledPin = 13;

void setup() {
    pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
    int mn = 1024;
    int mx = 0;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        int val = analogRead(analogPin);
        mn = min(mn, val);
        mx = max(mx, val);
    }
    if (mx-mn >= 50) {
        digitalWrite(ledPin, HIGH);
    }
    else {
        digitalWrite(ledPin, LOW);
    }
}

Answer 1

Arduino 是一个原型(prototype)平台，由多个硬件板和一个软件抽象层组成。对于这样的问题，考虑底层硬件的功能很有用，因为它们提供了最终的限制。我假设您使用的是 Arduino Uno/Nano，但 Due 的情况有所不同。

根据数据表，每个 ADC 读取(超出第一个读取)需要 13 个 ADC 时钟周期。 ADC 时钟(与 MCU 不同)时钟是通过将系统时钟除以某个因子(至少为 2)而得出的。因此，在 16Mhz 板上，这相当于每秒 60 万个样本。到目前为止，一切都很好。然而，这并不是故事的结局，你仍然需要阅读数据。如果您使用中断，即使您做了一些非常简单的事情，经验表明您将损失大约 100 个时钟来进行中断处理。现在，您的采样率已降至 126K 样本/秒。但这是理论上的最大值。

数据表指出，要实现 ADC 的最大精度，需要 50kHz - 200kHz ADC 时钟。在 Arduino 代码(在 wiring.c 中)中，选择除法因子 128:

sbi(ADCSRA, ADPS2);
sbi(ADCSRA, ADPS1);
sbi(ADCSRA, ADPS0);

这意味着每次转换需要 128*13 = 1764 个时钟，理论上每秒最多可产生 10K 样本。考虑到 readAnalog() 函数除了启动 ADC 转换并等待其完成之外，它还执行一些其他操作，但情况应该不会差太多。当然，这不涉及您的代码:您对 readAnalog() 结果进行的任何处理都会使捕获更多样本变得更加困难。但是，要以 4Khz 进行捕获，您需要确保代码花费的时钟周期/样本少于 1.5k 个时钟周期，这应该是可行的。请注意，如果您像在发布的代码中那样进行 5 次读取，则如果您的代码执行的操作很少，则最大捕获率将为 2kHz。

<小时/>

至于如何捕获数据，您需要处理这样一个事实:没有放大功能的麦克风不会为您提供使用 analogRead() 时可能期望的 0-5V 读数。 。事实上，麦克风输出电压从正向负摆动，但是，负电压不会被 ADC 拾取，并且仅显示为零，除非您给麦克风提供电压偏移。

<小时/>

我不太确定比较最小振幅和最大振幅的代码应该做什么。您想将音频数字化吗？在这种情况下，您需要保存从 analogRead() 收集的所有幅度读数，然后您可以在另一台计算机上对它们运行 FFT:Arduino 很可能不够快，无法进行频率分析就数据而言。