工具和简介
. f: ?! k2 P  f+ m, ~! `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;
$ R- g( n6 L  T: X& U+ L: |测试单片机：STM32F303VCT6
    Keil版本：Keil uVision V5.10.0.2
) Q. [% x6 i/ w0 Y$ u    STM32CubeMx版本：uVision V4.16.0
* j; t+ R3 w+ a- J: MSTM32库版本：STM32Cube_FW_F3_V1.6.0
2 I$ F7 i) a0 f0 I9 H7 M& ]8 vMCU工作频率：72MHz


+ Q. M* Q- q! W& [3 u7 K内核设计
" H/ b) M. T$ t3 R    如下图，运行MATLAB，在命令窗口输入fdatool，并回车启动fdatool。

; E( o$ K6 \% }$ S0 d' ^

MATLAB界面
+ ^. ^% g+ }  N- R- p  A- oFdatool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：
filter 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。

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。

filter 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。
) n. }. n% C% Y1 `3 N
$ S+ i. `+ X, Qfrenquency 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。
7 o% q% c6 t& S+ T4 c: amagnitude 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。

, J, `& o* p) i/ [* t3 s
* f; ?, M, j. w6 m/ I

Fdatool界面

) P3 s( d8 o. F% o) p/ I
4 r1 u# j0 K4 z) f6 a 本设计中，首先在filter type中选择bandpass（带通滤波器）；
/ \- n( c0 l- ~（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；
! x- i) M& s8 e! g" s# _- E7 {7 n（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。
（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。
6 Z9 e2 o5 ~; V6 O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。
: B0 e: a5 `$ R# r# d

) [3 B8 j  M! N* |9 X* F/ c

通过Fdatool设计内核

0 w& |6 P0 m5 {( d1 R% B/ k3 e8 j) J 其幅频曲线如下。

幅频曲线

& g% B* d3 a& q# H: l9 g- G
0 Y1 k! i* `* Z8 K3 y' `' E6 y其相频特性如下
7 X0 B1 H9 ?4 [% A" y' M
  U. S* X% T3 @- k% x

相频特性

& _7 a+ F' H$ J1 x: V( e) k
& F0 |( }1 X/ H+ j 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 “。

0 S6 p2 c. ]/ X$ u8 ]

测试代码

1 J8 B  `# C. U" ~ 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
- L' x; X7 m& r# N! i* M0 {4 r8 S

测试结果

4 B# c4 u+ K( G" S. @/ h$ g% i
% D: C3 o' g: B& l! W) O  STM32移植内核
. _' c2 c9 s% o* T$ i* _
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”，
% G" l- o$ _2 t( m

Keil工程

0 `: h- N  M) l: y 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。

  p& ?% ^9 S$ K6 P

内核和测试数据

0 Z1 E5 I) m2 t! U# K1 i( C2 b
6 ], u6 x! y! t; C# ]9 h 整个程序运行流程如下图所示
& c8 |1 c3 ~. ^) u

- ]6 X: L1 ]# Y# k

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。

% ^9 ~7 l  n& X' d. x( g

串口输出结果

: g5 i+ M8 u+ r3 q% w' H
0 B6 n- d$ H7 u6 }

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

( T; Y! E1 F9 V- F& @

( M- A* z1 I% O

Stm32执行结果MATLAB分析

0 Y1 A1 F3 A; a) ^" {
0 E  D$ R5 a& E& m3 k
- t8 Q' r* x5 m
4 Q) D- c: R0 v6 n$ W