【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：

/******************************************************************% D5 y* t! |" j7 S+ a0 E1 \
函数名称:InitBufInArray()+ {7 U" ?4 b9 }, R
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)
% i4 @7 x7 G6 ^
参数说明:& w9 z% W$ W6 |9 e8 X6 _5 s$ V2 U/ U" O
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& M: Q c: }7 d
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
7 w8 X( G0 M& `5 g. B6 G l. ]
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
; F3 V9 y* a/ j9 O9 F
*******************************************************************/) u. m& s0 P! ~& t9 e2 m
void InitBufInArray()6 x: g/ H; S: B2 b; b1 l( `
{
# _* v! L6 @7 Y; R4 {3 d: B
unsigned short i;+ o8 k- p: r2 k' k0 r9 j& j
float fx; l% U: C8 N* E6 L2 c
for(i=0; i<NPT; i++) r! ] T$ F$ t' w3 a
{1 O* D4 Z3 b: B: ?
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +2 b' P8 b2 S ]: w' h2 c
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +" @) ]; M/ d) h% b: T U* n
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);6 _. x; R/ \) t+ }% s
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
) d& U/ e0 n. F3 \+ N% x
}2 r8 P4 w* H" n! `+ |
}

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：

/******************************************************************" j& L: o" l R" u. f
函数名称:GetPowerMag()
) {( V6 H' _, I6 o$ H
函数功能:计算各次谐波幅值5 F* i# j# A V' v0 b H
参数说明:. H4 _ d% C. Y9 b1 X+ n
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)% \8 v7 W' Q: U: T3 u0 i
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
" A: n$ P2 m, K
*******************************************************************/
. j% R. w' h1 v3 c7 o5 ^) _2 e; u
void GetPowerMag()
8 ~& R2 h# b+ S' V. f) J
{- d2 E/ f# V9 f1 ~
signed short lX,lY;
( W) V6 C+ b! h
float X,Y,Mag;
- T0 M2 U3 d/ S- } S! d7 G8 U9 K/ }
unsigned short i;
0 o- M2 f( m& U% ?: v# R) X
for(i=0; i<NPT/2; i++)
: I, D! D( B. D
{2 A1 V/ e. k- u* ^4 `& B" M$ e
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
# D& Q3 I! g3 w. M% D1 y$ j
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);8 T! t$ X( o- M; l. F2 N) P
X = NPT * ((float)lX) / 32768;9 a- d }- \& w! _
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;: g( I7 X; K. o: h. ~3 N* p
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;6 D% M2 }9 W+ I6 L% ]0 O
if(i == 0)
' S( i1 R( g4 E! K$ |
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
! f d! C+ q6 z
else
) V: ]# e$ \. v4 L% d! N
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);$ z% b6 @+ H, G g( R
}
! f$ w C# C! W @. n
}