【经验分享】如何使用STM32提供的DSP库进行FFT

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STMCU小助手发布时间：2022-1-15 23:08

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文章简介:	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。

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4的FFT，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STM32的DSP库

2.2添加DSP库到自己的工程项目中

　　下载得到STM32的DSP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.h和table_fft.h两个文件是必须添加的。stm32_dsp.h是STM32的DSP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20Hz到20KHz，所以我使用的采用频率是44800Hz。那么在进行256点FFT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STM32的DSP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：

/******************************************************************: Q0 b- u, L7 C5 o0 O/ t, X! h
函数名称:InitBufInArray(): W( G6 }6 Z" {+ l1 n5 S- {
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)
, f: T7 P/ y2 n, b" b/ W( a
参数说明:
" p$ P- q# b. u! ^( z
备注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，
; w* E3 u3 q4 ?
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
& x6 k' c) {/ ]$ E- ^/ M. J
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
0 Y4 h2 W0 Z7 ?0 p2 o
*******************************************************************/
" L! n) i- [% E/ i4 [
void InitBufInArray()4 c) V+ {0 D+ y$ ~0 C" d3 S
{
( k& C+ |/ m6 d$ n: m' h/ V, l
unsigned short i;6 M3 p* O6 t2 G9 Z3 Z; g3 ^# f0 O
float fx;+ X- f* X" c) S
for(i=0; i<NPT; i++)! J4 }" A" z. L3 i
{2 p) H# W! V& m: X* q/ e1 C
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +: @9 m; B; z6 u9 o& t) y+ ]
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +
* b$ l5 R6 \8 Y6 W y
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);
2 d) ?& u7 Z. V( s' W
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
0 s' V m$ Y; R2 T4 C. L
}1 ~3 ] y. F! R
}

复制代码

　　其中，NPT是采样点数256，PI2是2π（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350Hz，8400Hz和18725Hz。

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：

/******************************************************************
, {5 E5 _& d7 t
函数名称:GetPowerMag()8 l# v+ s: R4 m+ D& T, R
函数功能:计算各次谐波幅值* p8 X. U& v9 O a! @2 }7 h8 K0 u8 {3 b
参数说明:
+ }& L+ c1 ?) i
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)" Q; A% s5 l# j5 p1 Z9 _% V
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
7 l) ?, C6 g. X/ l. P e K0 o c
*******************************************************************/ v6 W2 p; a; O9 l5 I
void GetPowerMag()) X. z( ]+ `( x- u% K% B" n
{
, I& f9 W) I+ q8 h% ?7 ^
signed short lX,lY;0 a$ ^$ ]( Y* y. C; k- L1 H
float X,Y,Mag;
+ Z$ ]5 s+ h; `4 l% T! T
unsigned short i;
$ y0 k3 M$ t6 p
for(i=0; i<NPT/2; i++); f' b6 Z8 z( ~; q1 V+ h6 U
{
% i) r! y2 d- m
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;: m' ^ s. ~8 \4 T
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);
Z, y' S' ~, {% a6 n* z
X = NPT * ((float)lX) / 32768;
8 y1 K1 C7 R5 ?- V$ D2 g
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
0 |2 f0 K- e! A. u: Z1 C' U
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;
, c: T3 I# o9 a2 S; `
if(i == 0)0 b9 P+ o, Q r
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
4 Z X" b( i7 z; u) p
else3 @0 M" o9 U- \ a, g
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);
! h9 l$ h) R( K- f
}* |$ \1 z- m/ a' Q! j& k8 b0 z
}