如何用Arduino UNO实现DTMF解码器

步骤1：了解算法

在DTMF中，每个符号根据图片上的表格使用两个频率进行编码。

该设备捕获麦克风的输入并计算八个频率的幅度。具有最大幅度的两个频率给出了编码符号的一行和一列。

数据采集

为了执行频谱分析，应以某个可预测的频率捕获样本。为了达到这个目的，我使用了具有最大精度的自由运行ADC模式（预分频器128），它提供了9615Hz的采样率。下面的代码显示了如何配置Arduino的ADC。

void initADC（） {

// Init ADC; f = （ 16MHz/prescaler ） / 13 cycles/conversion

ADMUX = 0; // Channel sel， right-adj， use AREF pin

ADCSRA = _BV（ADEN） | // ADC enable

_BV（ADSC） | // ADC start

_BV（ADATE） | // Auto trigger

_BV（ADIE） | // Interrupt enable

_BV（ADPS2） | _BV（ADPS1） | _BV（ADPS0）; // 128:1 / 13 = 9615 Hz

ADCSRB = 0; // Free-run mode

DIDR0 = _BV（0）; // Turn off digital input for ADC pin

TIMSK0 = 0; // Timer0 off

}

And the interrupt handler looks like this

ISR（ADC_vect） {

uint16_t sample = ADC;samples［samplePos++］ = sample - 400;

if（samplePos 》= N） {

ADCSRA &= ~_BV（ADIE）; // Buffer full， interrupt off

}

}

频谱分析

收集样本后，我计算出8个频率的幅度，这些频率编码符号。我不需要为此运行完整的FFT，因此我使用了Goertzel的算法。

void goertzel（uint8_t *samples， float *spectrum） {

float v_0， v_1， v_2;

float re， im， amp;

for （uint8_t k = 0; k 《 IX_LEN; k++） {

float c = pgm_read_float（&（cos_t［k］））;

float s = pgm_read_float（&（sin_t［k］））;

float a = 2. * c;

v_0 = v_1 = v_2 = 0;

for （uint16_t i = 0; i 《 N; i++） {

v_0 = v_1;

v_1 = v_2;

v_2 = （float）（samples［i］） + a * v_1 - v_0;

}

re = c * v_2 - v_1;

im = s * v_2;

amp = sqrt（re * re + im * im）;

spectrum［k］ = amp;

}

}

步骤2：代码

上图显示了数字3的编码示例，其中最大幅度对应于697Hz和1477Hz频率。

完整的草图如下

/**

* Connections：

* ［ Mic to Arduino ］

* - Out -》 A0

* - Vcc -》 3.3V

* - Gnd -》 Gnd

* - Arduino： AREF -》 3.3V

* ［ Display to Arduino ］

* - Vcc -》 5V

* - Gnd -》 Gnd

* - DIN -》 D11

* - CLK -》 D13

* - CS -》 D9

*/

#include

#include

#include

#define CS_PIN 9

#define N 256

#define IX_LEN 8

#define THRESHOLD 20

LEDMatrixDriver lmd（1， CS_PIN）;

uint8_t samples［N］;

volatile uint16_t samplePos = 0;

float spectrum［IX_LEN］;

// Frequences ［697.0， 770.0， 852.0， 941.0， 1209.0， 1336.0， 1477.0， 1633.0］

// Calculated for 9615Hz 256 samples

const float cos_t［IX_LEN］ PROGMEM = {

0.8932243011955153， 0.8700869911087115， 0.8448535652497071， 0.8032075314806449，

0.6895405447370669， 0.6343932841636456， 0.5555702330196023， 0.4713967368259978

};

const float sin_t［IX_LEN］ PROGMEM = {

0.44961132965460654， 0.49289819222978404， 0.5349976198870972， 0.5956993044924334，

0.7242470829514669， 0.7730104533627369， 0.8314696123025451， 0.8819212643483549

};

typedef struct {

char digit;

uint8_t index;

} digit_t;

digit_t detected_digit;

const char table［4］［4］ PROGMEM = {

{‘1’， ‘2’， ‘3’， ‘A’}，

{‘4’， ‘5’， ‘6’， ‘B’}，

{‘7’， ‘8’， ‘9’， ‘C’}，

{‘*’， ‘0’， ‘#’， ‘D’}

};

const uint8_t char_indexes［4］［4］ PROGMEM = {

{1， 2， 3， 10}，

{4， 5， 6， 11}，

{7， 8， 9， 12}，

{15， 0， 14， 13}

};

byte font［16］［8］ = {

{0x00，0x38，0x44，0x4c，0x54，0x64，0x44，0x38}， // 0

{0x04，0x0c，0x14，0x24，0x04，0x04，0x04，0x04}， // 1

{0x00，0x30，0x48，0x04，0x04，0x38，0x40，0x7c}， // 2

{0x00，0x38，0x04，0x04，0x18，0x04，0x44，0x38}， // 3

{0x00，0x04，0x0c，0x14，0x24，0x7e，0x04，0x04}， // 4

{0x00，0x7c，0x40，0x40，0x78，0x04，0x04，0x38}， // 5

{0x00，0x38，0x40，0x40，0x78，0x44，0x44，0x38}， // 6

{0x00，0x7c，0x04，0x04，0x08，0x08，0x10，0x10}， // 7

{0x00，0x3c，0x44，0x44，0x38，0x44，0x44，0x78}， // 8

{0x00，0x38，0x44，0x44，0x3c，0x04，0x04，0x78}， // 9

{0x00，0x1c，0x22，0x42，0x42，0x7e，0x42，0x42}， // A

{0x00，0x78，0x44，0x44，0x78，0x44，0x44，0x7c}， // B

{0x00，0x3c，0x44，0x40，0x40，0x40，0x44，0x7c}， // C

{0x00，0x7c，0x42，0x42，0x42，0x42，0x44，0x78}， // D

{0x00，0x0a，0x7f，0x14，0x28，0xfe，0x50，0x00}， // #

{0x00，0x10，0x54，0x38，0x10，0x38，0x54，0x10} // *

};

void initADC（） {

// Init ADC; f = （ 16MHz/prescaler ） / 13 cycles/conversion

ADMUX = 0; // Channel sel， right-adj， use AREF pin

ADCSRA = _BV（ADEN） | // ADC enable

_BV（ADSC） | // ADC start

_BV（ADATE） | // Auto trigger

_BV（ADIE） | // Interrupt enable

_BV（ADPS2） | _BV（ADPS1） | _BV（ADPS0）; // 128:1 / 13 = 9615 Hz

ADCSRB = 0; // Free-run mode

DIDR0 = _BV（0）; // Turn off digital input for ADC pin

TIMSK0 = 0; // Timer0 off

}

void goertzel（uint8_t *samples， float *spectrum） {

float v_0， v_1， v_2;

float re， im， amp;

for （uint8_t k = 0; k 《 IX_LEN; k++） {

float c = pgm_read_float（&（cos_t［k］））;

float s = pgm_read_float（&（sin_t［k］））;

float a = 2. * c;

v_0 = v_1 = v_2 = 0;

for （uint16_t i = 0; i 《 N; i++） {

v_0 = v_1;

v_1 = v_2;

v_2 = （float）（samples［i］） + a * v_1 - v_0;

}

re = c * v_2 - v_1;

im = s * v_2;

amp = sqrt（re * re + im * im）;

spectrum［k］ = amp;

}

}

float avg（float *a， uint16_t len） {

float result = .0;

for （uint16_t i = 0; i 《 len; i++） {

result += a［i］;

}

return result / len;

}

int8_t get_single_index_above_threshold（float *a， uint16_t len， float threshold） {

if （threshold 《 THRESHOLD） {

return -1;

}

int8_t ix = -1;

for （uint16_t i = 0; i 《 len; i++） {

if （a［i］ 》 threshold） {

if （ix == -1） {

ix = i;

} else {

return -1;

}

}

}

return ix;

}

void detect_digit（float *spectrum） {

float avg_row = avg（spectrum， 4）;

float avg_col = avg（&spectrum［4］， 4）;

int8_t row = get_single_index_above_threshold（spectrum， 4， avg_row）;

int8_t col = get_single_index_above_threshold（&spectrum［4］， 4， avg_col）;

if （row ！= -1 && col ！= -1 && avg_col 》 200） {

detected_digit.digit = pgm_read_byte（&（table［row］［col］））;

detected_digit.index = pgm_read_byte（&（char_indexes［row］［col］））;

} else {

detected_digit.digit = 0;

}

}

void drawSprite（byte* sprite） {

// The mask is used to get the column bit from the sprite row

byte mask = B10000000;

for（int iy = 0; iy 《 8; iy++ ） {

for（int ix = 0; ix 《 8; ix++ ） {

lmd.setPixel（7 - iy， ix， （bool）（sprite［iy］ & mask ））;

// shift the mask by one pixel to the right

mask = mask 》》 1;

}

// reset column mask

mask = B10000000;

}

}

void setup（） {

cli（）;

initADC（）;

sei（）;

Serial.begin（115200）;

lmd.setEnabled（true）;

lmd.setIntensity（2）;

lmd.clear（）;

lmd.display（）;

detected_digit.digit = 0;

}

unsigned long z = 0;

void loop（） {

while（ADCSRA & _BV（ADIE））; // Wait for audio sampling to finish

goertzel（samples， spectrum）;

detect_digit（spectrum）;

if （detected_digit.digit ！= 0） {

drawSprite（font［detected_digit.index］）;

lmd.display（）;

}

if （z % 5 == 0） {

for （int i = 0; i 《 IX_LEN; i++） {

Serial.print（spectrum［i］）;

Serial.print（“ ”）;

}

Serial.println（）;

Serial.println（（int）detected_digit.digit）;

}

z++;

samplePos = 0;

ADCSRA |= _BV（ADIE）; // Resume sampling interrupt

}

ISR（ADC_vect） {

uint16_t sample = ADC;

samples［samplePos++］ = sample - 400;

if（samplePos 》= N） {

ADCSRA &= ~_BV（ADIE）; // Buffer full， interrupt off

}

}

步骤3：原理图

应进行以下连接：

麦克风与Arduino

Out -》 A0

Vcc -》 3.3V

Gnd -》 Gnd

将AREF连接到3.3V很重要。

显示到Arduino

Vcc -》 5V

Gnd -》 Gnd

DIN -》 D11

CLK -》 D13

CS -》 D9

步骤4：结论

这里可以改进什么？我以9615Hz的速率使用N = 256个样本，该速率有一些频谱泄漏，如果N = 205且速率为8000Hz，则所需频率与离散化网格重合。对于该ADC，应在定时器溢出模式下使用。
        责任编辑：wv