【经验分享】STM32的DSP库的应用

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STMCU小助手发布时间：2022-1-15 21:53

文章
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文章简介:	前些天理解了fft变换的理论和对其工程应用进行了实例分析，详见我的名为《C语言实现fft理论基础与工程应用的实例分析》的博客，用C语言编写的fft算法比较容易看懂，但带来的缺点就是执行效率低，对于要求实时操作（例如电机控制）的反应速度不够灵敏。本篇内容将简要分析STM32自带的DSP库文件，其用汇编语言编写，代码执行效率明显优于C语言，ST公司封装好了了库文件，我们不必看懂其汇编代码，只要会调用接口函数即可。

本篇内容将简要分析STM32自带的DSP库文件，其用汇编语言编写，代码执行效率明显优于C语言，ST公司封装好了了库文件，我们不必看懂其汇编代码，只要会调用接口函数即可。

1,代码分析

首先我们需要在一个已经建立好的工程文件里添加如下编译路径：

工程需要添加的文件如下图：

   为了产生fft变换信号，我们可以自己产生个采样信号：使用三角函数生成采样点，供FFT计算，fx  = 4000 * sin(PI2*i*50.0/Fs) + 4000 * sin(PI2*i*2500.0/Fs) + 4000*sin(PI2*i*2550.0/Fs)。
   模拟采样数据,采样数据中包含3种频率正弦波：50Hz，2500Hz，2550Hz， lBUFIN数组中，每个单元数据高字(高16位)中存储采样数据的实部，低字(低16位)存储采样数据的虚部(总是为0)。
   其中dsp_asm_init()函数的作用是产生采样信号，实际工程应用中我们使用的是ADC采样的处理值。dsp_asm_test()函数的作用是进行FFT变换，并计算各次谐波幅值。具体代码参见下面：

1 /*
2 *********************************************************************************************************
3 * MICIRUM BOARD SUPPORT PACKAGE
4 *
5 * (c) Copyright 2007; Micrium, Inc.; Weston, FL
6 *
7 * All rights reserved. Protected by international copyright laws.
8 * Knowledge of the source code may NOT be used to develop a similar product.
9 * Please help us continue to provide the Embedded community with the finest
10 * software available. Your honesty is greatly appreciated.
11 *********************************************************************************************************
12 */
13
14 /*
15 *********************************************************************************************************
16 *
17 * BOARD SUPPORT PACKAGE
18 *
19 * ST Microelectronics STM32
20 * with the
21 * STM3210B-EVAL Evaluation Board
22 *
23 * Filename : bsp.c
24 * Version : V1.00
25 * Programmer(s) : Brian Nagel
26 *********************************************************************************************************
27 */
28
29 /*
30 *********************************************************************************************************
31 * INCLUDE FILES
32 *********************************************************************************************************
33 */
34
35 #define DSP_ASM
36 #include "stm32f10x.h"
37 #include "dsp_asm.h"
38 #include "stm32_dsp.h"
39 #include "table_fft.h"
40 #include <stdio.h>
41 #include <math.h>
42
43
44 /*
45 *********************************************************************************************************
46 * LOCAL CONSTANTS
47 *********************************************************************************************************
48 */
49 #define PI2 6.28318530717959
50 #define NPT_1024 1024
51 //#define NPT_256 256
52 //#define NPT_1024 1024
53
54 // N=64,Fs/N=50Hz,Max(Valid)=1600Hz
55 #ifdef NPT_64
56 #define NPT 64
57 #define Fs 3200
58 #endif
59
60 // N=256,Fs/N=25Hz,Max(Valid)=3200Hz
61 #ifdef NPT_256
62 #define NPT 256
63 #define Fs 6400
64 #endif
65
66 // N=1024,Fs/N=5Hz,Max(Valid)=2560Hz
67 #ifdef NPT_1024
68 #define NPT 1024
69 #define Fs 5120
70 #endif
71
72
73 /*
74 *********************************************************************************************************
75 * LOCAL DATA TYPES
76 *********************************************************************************************************
77 */
78
79
80 /*
81 *********************************************************************************************************
82 * LOCAL TABLES
83 *********************************************************************************************************
84 */
85
86
87 /*
88 *********************************************************************************************************
89 * LOCAL GLOBAL VARIABLES
90 *********************************************************************************************************
91 */
92 long lBUFIN[NPT]; /* Complex input vector */
93 long lBUFOUT[NPT]; /* Complex output vector */
94 long lBUFMAG[NPT];/* Magnitude vector */
95 /*
96 *********************************************************************************************************
97 * LOCAL FUNCTION PROTOTYPES
98 *********************************************************************************************************
99 */
100 void dsp_asm_powerMag(void);
101
102 /*
103 *********************************************************************************************************
104 * LOCAL CONFIGURATION ERRORS
105 *********************************************************************************************************
106 */
107
108
109 /*
110 ******************************************************************************************************************************
111 ******************************************************************************************************************************
112 ** Global Functions
113 ******************************************************************************************************************************
114 ******************************************************************************************************************************
115 */
116
117 void dsp_asm_init()
118 {
119 u16 i=0;
120 float fx;
121 for(i=0;i<NPT;i++)
122 {
123 fx = 4000 * sin(PI2*i*50.0/Fs) + 4000 * sin(PI2*i*2500.0/Fs) + 4000*sin(PI2*i*2550.0/Fs);
124 lBUFIN[i] = ((long)fx)<<16;
125 }
126 }
127
128 void dsp_asm_test()
129 {
130
131 #ifdef NPT_64
132 cr4_fft_64_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);
133 #endif
134
135 #ifdef NPT_256
136 cr4_fft_256_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);
137 #endif
138
139 #ifdef NPT_1024
140 cr4_fft_1024_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);
141 #endif
142
143 // 计算幅值
144 dsp_asm_powerMag();
145
146 }
147
148 void dsp_asm_powerMag(void)
149 {
150 s16 lX,lY;
151 u32 i;
152 for(i=0;i<NPT/2;i++)
153 {
154 lX = (lBUFOUT[i] << 16) >> 16;
155 lY = (lBUFOUT[i] >> 16);
156 {
157 float X = NPT * ((float)lX) /32768;
158 float Y = NPT * ((float)lY) /32768;
159 float Mag = sqrt(X*X + Y*Y)/NPT;
160 lBUFMAG[i] = (u32)(Mag * 65536);
161 }
162 }
163 }

复制代码

1 /*
2 *********************************************************************************************************
3 * MICIRUM BOARD SUPPORT PACKAGE
4 *
5 * (c) Copyright 2007; Micrium, Inc.; Weston, FL
6 *
7 * All rights reserved. Protected by international copyright laws.
8 * Knowledge of the source code may NOT be used to develop a similar product.
9 * Please help us continue to provide the Embedded community with the finest
10 * software available. Your honesty is greatly appreciated.
11 *********************************************************************************************************
12 */
13
14 /*
15 *********************************************************************************************************
16 *
17 * BOARD SUPPORT PACKAGE
18 *
19 * ST Microelectronics STM32
20 * with the
21 * STM3210B-EVAL Evaluation Board
22 *
23 * Filename : bsp.h
24 * Version : V1.00
25 * Programmer(s) : Brian Nagel
26 *********************************************************************************************************
27 */
28
29 #ifndef __DSP_ASM_H__
30 #define __DSP_ASM_H__
31
32 /*
33 *********************************************************************************************************
34 * EXTERNS
35 *********************************************************************************************************
36 */
37
38 #ifdef DSP_ASM
39 #define DSP_EXT
40 #else
41 #define DSP_EXT extern
42 #endif
43
44 /*
45 *********************************************************************************************************
46 * INCLUDE FILES
47 *********************************************************************************************************
48 */
49
50
51
52
53 /*
54 *********************************************************************************************************
55 * GLOBAL VARIABLES
56 *********************************************************************************************************
57 */
58
59
60 /*
61 *********************************************************************************************************
62 * MACRO'S
63 *********************************************************************************************************
64 */
65
66
67 /*
68 *********************************************************************************************************
69 * FUNCTION PROTOTYPES
70 *********************************************************************************************************
71 */
72
73 void dsp_asm_test(void);
74 void dsp_asm_init(void);
75
76 #endif /* End of module include. */

复制代码

   着重分析下dsp_asm_powerMag()函数的作用，其函数就是求幅值，首先定义的的一个16位的有符号的数据IX 和IY 这两个只是中间变量，然后定义的i，是32位的无符号型。语句的目的是Mag = sqrt(X*X + Y*Y)/NPT。但直接这么写不符合DSP的计算习惯也就是不符合浮点运算的习惯。因此语句在for函数i写道 lX  = (lBUFOUT << 16) >> 16 就是取32位的i的低16位数据，lY  = (lBUFOUT >> 16);是取高16位数据。下面的两句
float X = NPT * ((float)lX) /32768;
float Y = NPT * ((float)lY) /32768
目的就是把数据浮点化，至于为什么是除以32768 。可以这么说，浮点化就好像10进制里面的科学计数法。32768=2的15次。除以32768也就是去除了浮点数后面的那个基数，只剩下前面的。比如1991 改写成1.991*10的三次幂，再除以10的三次方，只剩下1.991，便于余下的运算。至于最后一句要乘以65536是因为我们定义的数据和我们需要求得的数据都是无符号32位的，之前已经把32位的数据拆开又分别浮点化了又开了个根号，所以再把它变回来只需要乘以2的16次，也就是65536.比如说问你什么时候生日，你说是19911030，然而DSP是不习惯这么干的，他需要把它拆开为1991和1030。再写成1.991x10的3次方和1.030x10的3次方。然后才能进行其他的运算。
   这里是ST公司采用了DSP专用芯片（主要是指TI）的写法，也就是说尽管DSP的芯片类型很多，数据变量的定义也各有差异，但原理是一样的，最终还是要采用DSP习惯的运算方式。至于为什么一定要采用浮点运算，因为机器是傻子，然而TI公司的工程师是天才。

main函数中我们只需在while（1）前加上dsp_asm_init(); dsp_asm_test();即可。
2，实验现象

注意FFT运算结果的对称性，也即256点的运算结果，只有前面128点的数据是有效可用的。

① N=64,Fs/N=50Hz,Max(Valid)=1600Hz，64点FFt，采样率3200Hz,频率分辨率50Hz，测量最大有效频率1600Hz

64点FFT运算结果图（局部）：