工具和简介* h. N' l% `* v% s 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; `( `) d1 ]" I* @. }/ e' r7 c Keil版本:Keil uVision V5.10.0.2; X N+ ]. G5 ~9 l9 k8 h STM32CubeMx版本:uVision V4.16.0 STM32库版本:STM32Cube_FW_F3_V1.6.0- G% q5 I) e2 m; d4 f( ]+ \ MCU工作频率:72MHz 内核设计 如下图,运行MATLAB,在命令窗口输入fdatool,并回车启动fdatool。 / u3 w9 U6 E5 |! t 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: 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。/ S* H5 V/ ^7 C 9 d2 F- M& p; d) Q: J/ Y 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。 0 W# w1 a! F5 F: J. a' q6 o frenquency 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。 magnitude 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。1 ~- _+ A- D; i! E - t" u) ]; k+ ?. j% D! M 3 G- H; [7 f7 g Fdatool界面 8 n' j* ~+ G: O" i: R: f x 本设计中,首先在filter type中选择bandpass(带通滤波器);2 {: _5 Y4 K! r) c* e4 s8 x (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;$ p; N. D2 X" y (2)指定filter order项中的specify order=100;8 k7 f) r3 x! [ (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。* \2 C+ U- D( T# w* @8 L" A (4)设置完以后点击design filter即可得到所设计的fir滤波器。; D/ n; G7 F: Y1 u' N (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。 通过Fdatool设计内核 ) Z1 L: D1 K! ^ C5 N 其幅频曲线如下。" c0 M, F& t e! A0 u9 R( ~ 7 s. d6 q# F' u2 H 幅频曲线 其相频特性如下* r5 e$ M. K: J' w; ?2 \. k @# t% j9 Z" x4 G/ P5 O 相频特性 5 G9 F1 m* B$ t: x* o& W1 |* L7 L Matlab内核调用和测试# x0 ?" _" E Z' q$ ]# |, h' _ 5 _3 j) Z& l% p, \/ m; N7 k+ y. a 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 “。7 S3 T1 M. p+ G 测试代码 5 j+ S/ N) D# J' _: e* {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,. N. ^, F/ ^% L: S1 o6 Z" V# O 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 测试结果 I8 [6 W, g5 t: qSTM32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”,& u( i7 ?0 \- @3 |. e Keil工程 - I0 O" m6 A9 `: b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。1 M/ a* ~6 z7 B3 c( P q& ]9 C/ ` ; Z/ M8 P, m1 v1 O5 C; ]/ p/ ^ 内核和测试数据 3 N5 G* c; q- F1 f 整个程序运行流程如下图所示 * [+ x- S! Y% D. _; K5 O/ n/ ` 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。 " { I! B: E6 b0 N+ M( ^/ L. H 串口输出结果 e) Q1 i/ [1 I$ F2 A2 B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 J" E+ F6 d- @9 g& K) l* ? Stm32执行结果MATLAB分析 7 c* I1 `/ W0 n* \8 e : Q* z* p+ a- j8 d9 Z" B7 i8 ]& N |
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