工具和简介
目的：利用MATLAB仿真软件系统结合窗函数法设计一个数字带通FIR滤波器。通过STM32F3的DSP模块实现移植应用，测试分析其运行效率等，并将其运行结果同MATLAB运行结果比较，分析其可靠性。
测试数据：声波笔捕捉帧数据(f:80KHz;fs:2.5MHz)并混合入高频和低频噪声。
测试MATLAB版本：R2008a;
测试单片机：STM32F303VCT6
1 i: G7 K* E3 _: M; P    Keil版本：Keil uVision V5.10.0.2
    STM32CubeMx版本：uVision V4.16.0
: q+ c/ L: L4 z) K: qSTM32库版本：STM32Cube_FW_F3_V1.6.0
# u& F7 M$ Z$ WMCU工作频率：72MHz
  w, z& C; [' e& h% A) G

内核设计
    如下图，运行MATLAB，在命令窗口输入fdatool，并回车启动fdatool。
- n. B6 O4 [; p# M& u0 U- ^
. Z  _5 B1 |" }8 r

; J) S. n; I+ G  m) M$ @0 n
MATLAB界面
Fdatool界面如下图所示，FDA Tool界面总共分两大部分，一部分是design filter，在界面的下半部，用来设置滤波器的设计参数，另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显示滤波器的各种特性。design filter部分主要分为：
4 d+ p: a2 m& g5 x, G# K& wfilter type（滤波器类型）选项，包括lowpass（低通）、highpass（高通）、bandpass（带通）、bandstop（带阻）和特殊的fir滤波器。
4 G! }7 M$ L& B
design method（设计方法）选项，包括iir滤波器的butterworth（巴特沃思）法、chebyshev type i（切比雪夫i型）法、 chebyshev type ii（切比雪夫ii型） 法、elliptic（椭圆滤波器）法和fir滤波器的equiripple法、least-squares（最小乘方）法、window（窗函数）法。
! O+ x  u4 B1 z3 ?7 u9 R: m6 y7 d- l  x
: ?$ B5 h' j& I5 X  ^0 ]/ n9 F! D$ [# mfilter order（滤波器阶数）选项，定义滤波器的阶数，包括specify order（指定阶数）和minimum order（最小阶数）。在specify order中填入所要设计的滤波器的阶数（n阶滤波器，specify order＝n-1），如果选择minimum order则matlab根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。

6 V5 \. B  h- R. ]+ P- \+ hfrenquency specifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率fs和频带的截止频率。它的具体选项由filter type选项和design method选项决定，例如bandpass（带通）滤波器需要定义fstop1（下阻带截止频率）、fpass1（通带下限截止频率）、fpass2 （通带上限截止频率）、fstop2（上阻带截止频率），而lowpass（低通）滤波器只需要定义fstop1、fpass1。采用窗函数设计滤波器 时，由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的，所以只需要定义通带截止频率，而不必定义阻带参数。
# n0 C$ c7 _; imagnitude specifications选项，可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤波器时，可以定义wstop1（频率fstop1处的幅值衰减）、wpass （通带范围内的幅值衰减）、wstop2（频率fstop2处的幅值衰减）。当采用窗函数设计时，通带截止频率处的幅值衰减固定为6db，所以不必定义。

6 A2 e9 T. g$ O+ }4 S' T: V
3 m! R5 @/ {+ T- w

Fdatool界面

本设计中，首先在filter type中选择bandpass（带通滤波器）；
. X# v1 f$ Q6 R' w* C9 A* V8 d（1）在design method选项中选择fir window（fir滤波器窗函数法），接着在window specifications选项中选取hamming；
（2）指定filter order项中的specify order＝100；
（3）由于采用窗函数法设计，只要给出通带下限截止频率fc1和通带上限截止频率fc2，选取fc1＝79.999KHz，fc2＝80.001 KHz。
9 e# e! x2 h3 W* W" K0 X（4）设置完以后点击design filter即可得到所设计的fir滤波器。
（5）通过菜单选项analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。设计完成后保存为“nh.fda”文件，并通过依次点击“File——Generate M-File”生成为M文件保存为“nh.m”，以便调用。
在设计过程中，可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求，随时调整参数和滤波器类型，以便得到最佳效果，并通过第5部保存和生成M文件。其它类型的fir滤波器和iir滤波器也都可以使用fdatool来设计。

- `2 ]# F; W& \# f/ E

通过Fdatool设计内核

其幅频曲线如下。

4 r( G) D* B) m# `' t

幅频曲线

% z5 W' d3 S: n# K: D7 z( ]9 T, w
- p( I7 L$ F' v: l; W3 e0 B& q其相频特性如下

4 ^3 n' s& z; B/ ~  B3 C) t) W  @# R

相频特性

Matlab内核调用和测试

内核调用：在MATLAB中，按“Ctrl+N”新建M文件，编辑代码，本测试代码如下，具体见附件” fir3.m “。
  E# L, ?' x6 j/ u8 Q) i4 C
9 h; S$ `+ _1 E1 [7 }- o

! }8 ^" g' s; m: ]! c

测试代码

第一行中，”clc“清空命令窗口，”close all“ 清空多余窗口，clear清空工作空间，
在导入输入信号中所导入的信号为声波笔捕捉帧数据(f:80KHz;fs:25MHz)，从中选取一个通道数据。
所加高频噪声信号为200Khz，低频5Khz。
测试结果如下图所示
9 f4 ^5 y4 d; k8 `2 B3 W
; z% k( n% u& W6 H4 Q

/ o; ?( \- ^0 H/ y6 d% J* K

测试结果

, h0 k# v: g+ Y  STM32移植内核

运用STM32CubeMX生成Keil工程，具体配置见“附件\firTest1.4\demo.ioc”，并用Keil打开所生成的工程“附件\firTest1.4\MDK-ARM\demo.uvprojx”，

( F1 O/ Q# K2 {; {4 E& O+ l. o

' Q! L, {4 M' d0 x( Y

Keil工程

# m& a: i1 a' P 如上图所示，在“附件\firTest1.4\App\app.c”中，firCoeffs32常量为FIR滤波器内核，其来自MATLAB设计，运行测试文件” fir3.m “后，在工作空间中双击nucleus变量可在变量编辑器查看，在“附件\firTest1.4\App\arm_fir_data.c”中，a1常量为测试数据，其来自MATLAB设计中添加噪声后信号，运行测试文件” fir3.m “后，在工作空间中双击put变量可在变量编辑器查看。如下图所示。

$ i; u9 ~+ Q+ J9 H- U

内核和测试数据

' y' A3 C) m3 Y2 F2 c% V$ z0 E 整个程序运行流程如下图所示
; q) d0 ~9 H" }
; [' G. H, c7 q; }

STM32程序运行流程

运行结果通过串口输出，如下图所示，运行结果6418us。

串口输出结果

/ Y7 w: k1 w) |: z

可通过发送“@IN#”、 “@OUT#”、 “@HE#”，分别获取输入测试波形、输出滤波结果、内核数据，再将其导入MATLAB生成波形同MATLAB结果比较。其结果如下图所示

Stm32执行结果MATLAB分析

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3 \+ }3 L* V0 B; p