【玩转单片机系列002】 如何使用STM32提供的DSP库进行FFT

  前些日子,因为需要在STM32F103系列处理器上,对采集的音频信号进行FFT,所以花了一些时间来研究如何高效并精确的在STM32F103系列处理器上实现FFT。在网上找了很多这方面的资料做实验并进行比较,最终选择了使用STM32提供的DSP库这种方法。

  本文将以一个实例来介绍如何使用STM32提供的DSP库函数进行FFT

 

1.FFT运算效率

  使用STM32官方提供的DSP库进行FFT,虽然在使用上有些不灵活(因为它是基4FFT,所以FFT的点数必须是4^n),但其执行效率确实非常高效,看图1所示的FFT运算效率测试数据便可见一斑。该数据来自STM32 DSP库使用文档。

 

 图1 FFT运算效率测试数据

  由图1可见,在STM32F10x系列处理器上,如果使用72M的系统主频,进行64点的FFT运算,仅仅需要0.078ms而已。如果是进行1024点的FFT运算,也才需要2.138ms

 

2.如何使用STM32提供的DSP库函数

2.1下载STM32DSP

  大家可以从网上搜索下载得到STM32DSP库,这里提供一个下载的地址:

      https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/cortex_mx_stm32/DispForm.aspx?ID=30831&RootFolder=%2fpublic%2fSTe2ecommunities%2fmcu%2fLists%2fcortex%5fmx%5fstm32%2fSTM32F10x%20DSP%20library%2c%20where%20is%20it

2.2添加DSP库到自己的工程项目中

  下载得到STM32DSP库之后,就可以将其添加到自己的工程项目中了。

  其中,inc文件夹下的stm32_dsp.htable_fft.h两个文件是必须添加的。stm32_dsp.hSTM32DSP库的头文件。

  src文件夹下的文件可以有选择的添加(用到那个添加那个即可)。因为我只用到了256点的FFT,所以这里我只添加了cr4_fft_256_stm32.s文件。添加完成后的项目框架如图2所示。

图2 项目框架

2.3模拟采样数据

  根据采样定理,采样频率必须是被采样信号最高频率的2倍。这里,我要采集的是音频信号,音频信号的频率范围是20Hz20KHz,所以我使用的采用频率是44800Hz。那么在进行256FFT时,将得到44800Hz / 256 = 175Hz的频率分辨率。

  为了验证FFT运算结果的正确性,这里我模拟了一组采样数据,并将该采样数据存放到了long类型的lBufInArray数组中,且该数组中每个元素的高16位存储采样数据的实部,低16位存储采样数据的虚部(总是为0)

  为什么要这样做呢?是因为后面要调用STM32DSP库函数,需要传入的参数规定了必须是这样的数据格式。

  下面是具体的实现代码:

 1 /******************************************************************
 2 函数名称:InitBufInArray()
 3 函数功能:模拟采样数据,采样数据中包含3种频率正弦波(350Hz,8400Hz,18725Hz)
 4 参数说明:
 5 备    注:在lBufInArray数组中,每个数据的高16位存储采样数据的实部,
 6           低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
 7 作  者:博客园 依旧淡然(http://www.cnblogs.com/menlsh/ 8 *******************************************************************/
 9 void InitBufInArray()
10 {
11     unsigned short i;
12     float fx;
13     for(i=0; i<NPT; i++)
14     {
15         fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +
16              2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +
17              4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);
18         lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
19     }
20 }

  其中,NPT是采样点数256PI22π(即6.28318530717959),Fs是采样频率44800。可以看到采样数据中包含了3种频率的正弦波,分别为350Hz8400Hz18725Hz

2.4调用DSP库函数进行FFT

  进行256点的FFT,只需要调用STM32 DSP库函数中的cr4_fft_256_stm32()函数即可。该函数的原型为:

  void cr4_fft_256_stm32(void *pssOUT, void *pssIN, uint16_t Nbin);

  其中,参数pssOUT表示FFT输出数组指针,参数pssIN表示要进行FFT运算的输入数组指针,参数Nbin表示了点数。至于该函数的具体实现,因为是用汇编语言编写的,我也不懂,这里就不妄谈了。

  下面是具体的调用实例:

  cr4_fft_256_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT);

  其中,参数lBufOutArray同样是一个long类型的数组,参数lBufInArray就是存放模拟采样数据的采样数组,NPT为采样点数256

  调用该函数之后,在lBufOutArray数组中就存放了进行FFT运算之后的结果数据。该数组中每个元素的数据格式为;高16位存储虚部,低16位存储实部。

2.5计算各次谐波幅值

  得到FFT运算之后的结果数据之后,就可以计算各次谐波的幅值了。

  下面是具体的实现代码:

 1 /******************************************************************
 2 函数名称:GetPowerMag()
 3 函数功能:计算各次谐波幅值
 4 参数说明:
 5 备  注:先将lBufOutArray分解成实部(X)和虚部(Y),然后计算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)
 6 作  者:博客园 依旧淡然(http://www.cnblogs.com/menlsh/ 7 *******************************************************************/
 8 void GetPowerMag()
 9 {
10     signed short lX,lY;
11     float X,Y,Mag;
12     unsigned short i;
13     for(i=0; i<NPT/2; i++)
14     {
15         lX  = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
16         lY  = (lBufOutArray[i] >> 16);
17         X = NPT * ((float)lX) / 32768;
18         Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
19         Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;
20         if(i == 0)
21             lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
22         else
23             lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);
24     }
25 }

  其中,数组lBufMagArray存储了各次谐波的幅值。

2.6实验结果

  通过串口,我们可以将lBufMagArray数组中各次谐波的幅值(即各个频率分量的幅值)输出打印出来,具体实验数据如下所示:

   i,         P,       Mag,         X,         Y
   0,         0,         4,         0,        -4
   1,       175,        14,        -6,        -4
   2,       350,      1492,       746,        -3
   3,       525,        11,        -5,        -3
   4,       700,         8,        -3,        -3
   5,       875,         8,        -4,        -2
   6,      1050,         6,        -3,         0
   7,      1225,         6,        -3,         0
   8,      1400,         8,        -4,        -2
   9,      1575,         8,        -4,         0
  10,      1750,         4,        -2,         0
  11,      1925,         8,        -4,        -1
  12,      2100,         6,        -3,         0
  13,      2275,         5,        -2,        -2
  14,      2450,         6,        -3,        -1
  15,      2625,         8,        -3,        -3
  16,      2800,         4,        -2,         0
  17,      2975,         6,        -3,        -1
  18,      3150,         6,        -3,         0
  19,      3325,         6,        -3,         0
  20,      3500,         2,        -1,         0
  21,      3675,         4,        -2,         0
  22,      3850,         4,        -2,         0
  23,      4025,         4,        -2,         0
  24,      4200,         6,        -3,         0
  25,      4375,         6,        -3,         0
  26,      4550,         4,        -2,         0
  27,      4725,         6,        -3,         0
  28,      4900,         2,        -1,         0
  29,      5075,         4,        -2,        -1
  30,      5250,         4,        -2,         0
  31,      5425,         2,        -1,         0
  32,      5600,         4,        -2,        -1
  33,      5775,         6,        -3,        -1
  34,      5950,         2,        -1,        -1
  35,      6125,         6,        -3,        -1
  36,      6300,         2,        -1,         0
  37,      6475,         6,        -3,         0
  38,      6650,         4,        -2,         0
  39,      6825,         4,        -2,        -1
  40,      7000,         2,        -1,         0
  41,      7175,         6,        -3,         0
  42,      7350,         2,        -1,         0
  43,      7525,         2,        -1,         0
  44,      7700,         2,        -1,         0
  45,      7875,         2,        -1,         0
  46,      8050,         4,        -2,         0
  47,      8225,         2,        -1,         0
  48,      8400,      2696,      1348,         0
  49,      8575,         2,        -1,        -1
  50,      8750,         0,         0,         0
  51,      8925,         4,        -2,        -1
  52,      9100,         2,         0,        -1
  53,      9275,         0,         0,         0
  54,      9450,         2,        -1,        -1
  55,      9625,         2,        -1,         0
  56,      9800,         2,        -1,         0
  57,      9975,         2,        -1,        -1
  58,     10150,         2,        -1,        -1
  59,     10325,         2,        -1,         0
  60,     10500,         0,         0,         0
  61,     10675,         2,        -1,         0
  62,     10850,         4,        -2,        -1
  63,     11025,         2,        -1,        -1
  64,     11200,         0,         0,         0
  65,     11375,         2,        -1,         0
  66,     11550,         0,         0,         0
  67,     11725,         2,        -1,        -1
  68,     11900,         2,        -1,        -1
  69,     12075,         2,        -1,         1
  70,     12250,         2,        -1,         1
  71,     12425,         4,        -2,         1
  72,     12600,         4,        -2,        -1
  73,     12775,         2,        -1,         1
  74,     12950,         0,         0,         0
  75,     13125,         4,        -2,         0
  76,     13300,         4,        -2,         0
  77,     13475,         2,        -1,         0
  78,     13650,         2,        -1,         0
  79,     13825,         4,        -2,        -1
  80,     14000,         2,        -1,         0
  81,     14175,         4,        -2,         0
  82,     14350,         2,        -1,         1
  83,     14525,         4,        -2,         1
  84,     14700,         4,        -2,         1
  85,     14875,         2,        -1,         1
  86,     15050,         4,        -2,         0
  87,     15225,         2,        -1,         0
  88,     15400,         4,        -2,         1
  89,     15575,         4,        -2,         1
  90,     15750,         2,        -1,         0
  91,     15925,         2,        -1,         1
  92,     16100,         2,        -1,         1
  93,     16275,         2,        -1,         1
  94,     16450,         4,        -2,         1
  95,     16625,         2,        -1,         1
  96,     16800,         2,        -1,        -1
  97,     16975,         4,        -2,         0
  98,     17150,         2,        -1,         0
  99,     17325,         4,        -2,         0
 100,     17500,         4,        -2,         1
 101,     17675,         4,        -2,         0
 102,     17850,         4,        -2,         1
 103,     18025,         4,        -2,        -1
 104,     18200,         2,        -1,         1
 105,     18375,         4,        -2,         0
 106,     18550,         2,        -1,         1
 107,     18725,      3996,      1998,         1
 108,     18900,         2,        -1,         0
 109,     19075,         2,        -1,         1
 110,     19250,         4,        -2,         1
 111,     19425,         4,        -2,         1
 112,     19600,         2,         0,         1
 113,     19775,         2,        -1,         0
 114,     19950,         0,         0,         0
 115,     20125,         4,        -2,         1
 116,     20300,         2,         0,         1
 117,     20475,         2,         0,         1
 118,     20650,         2,        -1,         1
 119,     20825,         2,        -1,         1
 120,     21000,         2,        -1,         1
 121,     21175,         2,        -1,         0
 122,     21350,         2,         0,         1
 123,     21525,         2,        -1,         0
 124,     21700,         0,         0,         0
 125,     21875,         2,        -1,         1
 126,     22050,         2,        -1,         1
 127,     22225,         2,         0,         1
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  在以上的实验数据中,我们分别打印出来了点数、频率、幅值、实部、虚部信息。

  由以上的实验数据,我们可以看出,在频率为350Hz8400Hz18725Hz时,幅值出现峰值,分别为149226963996,这与我们所预期的结果正好相符,从而验证了实验结果的正确性。

 

posted @ 2014-12-09 20:31 依旧淡然 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏