Анализатор спектра АЦП на базе ESP32-C3: профессиональный инструмент для анализа сигналов в реальном времени

Сегодня я представляю комплексный проект — веб-анализатор спектра на ESP32-C3. Это полноценный измерительный инструмент, который преобразует микроконтроллер в автономное устройство для анализа аналоговых сигналов с отображением результатов через современный веб-интерфейс.

Суть проекта

Данная прошивка превращает ESP32-C3 в автономный анализатор спектра с веб-сервером. Ключевые возможности:

Высокоскоростной сбор данных с АЦП (до 10 кГц) через аппаратный таймер.
Цифровая обработка сигналов: прямое преобразование Фурье (DFT), оконное взвешивание (Хэмминг), вычисление амплитудного спектра.
Интерактивный веб-интерфейс с тремя синхронизированными графиками в реальном времени.
Работа в режиме точки доступа (AP) — не требует внешнего Wi-Fi.

Устройство подключается к любому аналоговому источнику сигнала (0-3.3В) и предоставляет доступ к спектральному анализу через браузер по адресу http://192.168.4.1.

Ключевые технические особенности

1. Аппаратно-оптимизированный сбор данных

Прерывание по таймеру: Для точной и равномерной выборки с фиксированным интервалом используется аппаратный таймер ESP32-C3, что критически важно для корректного спектрального анализа.
Кольцевой буфер в ОЗУ: Данные АЦП накапливаются в буфере размером 512 сэмплов с использованием критических секций для потокобезопасности.

2. Алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС)

Дискретное преобразование Фурье (DFT): Реализация на C++ для вычисления частотных составляющих сигнала.
Окно Хэмминга: Применяется к временным данным для уменьжения эффектов “растекания спектра”.
Логарифмическая шкала (дБ): Преобразование амплитуд для лучшего восприятия динамического диапазона.

3. Профессиональный веб-интерфейс

Три синхронизированных графика (на базе Chart.js):
- Амплитудный спектр (основной график).
- Временная форма сигнала (первые 200 сэмплов).
- Спектрограмма (историческая визуализация изменения спектра во времени).
Панель управления с кнопками запуска/останова, выбором частоты дискретизации (1, 2, 5, 10 кГц) и типа шкалы.
Панель статуса с ключевыми параметрами в реальном времени.

4. Полная автономность

Микроконтроллер создает собственную Wi-Fi сеть (ESP32-ADC-Spectrum).
Не требует подключения к интернету или маршрутизатору.
Весь интерфейс хранится в памяти устройства (встроенный HTML).

Области практического применения

Анализ аудиосигналов: Визуализация спектра гитар, синтезаторов, голоса.
Диагностика электромеханических систем: Выявление частот вибрации двигателей, подшипников.
Образовательные цели: Наглядная демонстрация теории ЦОС, работы АЦП, свойств сигналов.
Радиолюбительские проекты: Настройка фильтров, анализ работы генераторов, модуляторов.
Научные измерения: Мониторинг медленно меняющихся процессов (температура, освещенность, давление).

Архитектура проекта

Основной цикл (loop)
    │
    ├── Веб-сервер (обработка HTTP-запросов)
    │   ├── / → HTML-интерфейс
    │   ├── /spectrum → JSON с данными спектра
    │   ├── /control → управление сбором
    │   └── /config → настройки
    │
    ├── Таймерное прерывание (аппаратное)
    │   └── Запись АЦП в буфер
    │
    └── Фоновая обработка
        └── При готовности буфера → БПФ → спектр

Уникальные преимущества реализации

Низкая задержка: Оптимизированный код на C++ с использованием IRAM_ATTR для критичных функций.
Стабильность: Корректная обработка прерываний, защита разделяемых данных.
Гибкость: Возможность изменения частоты дискретизации “на лету” через веб-интерфейс.
Расширяемость: Чистая модульная структура кода, легко добавлять новые функции ЦОС.

Возможности развития проекта

Реализация БПФ с прореживанием по времени для увеличения скорости вычислений.
Добавление различных оконных функций (Ханна, Блэкмана, Кайзера).
Сохранение данных на SD-карту для долговременного логирования.
Реализация триггерных режимов захвата сигнала.
Добавление сетевых протоколов (MQTT для интеграции в IoT-системы).
Создание мобильного приложения как альтернативы веб-интерфейсу.

Требования к аппаратной части

Плата: Любая с ESP32-C3 (например, ESP32-C3-DevKitM-1).
Питание: 5V через USB или 3.3V напрямую.
Входной сигнал: 0-3.3В (превышение может повредить микроконтроллер).
Рекомендуется: Делитель напряжения/буфер для сигналов >3.3В.

Инструкция по запуску

Скомпилируйте прошивку в PlatformIO или Arduino IDE.
Загрузите на ESP32-C3.
Подключитесь к Wi-Fi сети ESP32-ADC-Spectrum (пароль: 12345678).
Откройте в браузере http://192.168.4.1.
Подключите сигнал к пину GPIO0 и запустите измерение.

Заключение

Данный проект демонстрирует, как современные микроконтроллеры, такие как ESP32-C3, позволяют создавать сложные измерительные системы с профессиональным интерфейсом при минимальной себестоимости. Код написан с акцентом на производительность и стабильность, что делает его отличной базой как для практического применения, так и для дальнейшего развития.

Для технической аудитории сайта islife.ru этот проект представляет интерес как пример полноценной системы сбора и обработки данных, объединяющей аппаратные возможности микроконтроллера, алгоритмы цифровой обработки сигналов и современные веб-технологии.

Лицензия: Открытый исходный код. Разрешено использование, модификация и распространение с указанием авторства. Техническая поддержка: Вопросы и предложения по развитию проекта можно обсудить в Telegram: @askfind

📦 Скачать проект

Полный исходный код, схемы и инструкции по сборке доступны в архиве: Скачать ESP32-ADC-Spectrum.zip (размер: 154,1 К (157 798))

В архиве содержатся:

Полный код прошивки для PlatformIO/Arduino IDE
Инструкция по использованию

Профессиональный инструмент для анализа сигналов в реальном времени