工具和简介
* {; A3 V1 q1 f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。
# L! a" G- }( N4 l+ K7 _测试MATLAB版本：R2008a;
' t9 Y5 ]  l6 g$ }% U/ U5 J测试单片机：STM32F303VCT6
    Keil版本：Keil uVision V5.10.0.2
    STM32CubeMx版本：uVision V4.16.0
STM32库版本：STM32Cube_FW_F3_V1.6.0
% k4 |5 x$ {# B9 ?MCU工作频率：72MHz
/ R3 c' C3 g! t% g
' \; _  q; r8 W4 L0 r7 v2 z
( F9 ^2 T! g: ~* {2 B/ D" Q内核设计
) S" r* r8 r; I  y    如下图，运行MATLAB，在命令窗口输入fdatool，并回车启动fdatool。
6 _# Z( @- E) i0 m" R7 ?4 q

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：
) X" E" Z+ I2 {$ ^: l: cfilter 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。

3 v! X; V; H2 h! K: I4 s6 V# ydesign 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。
! G, d9 _% A) C* W7 z: H" W1 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 m4 ~4 U  Q3 o0 w. {' y& P
) D' r/ s. M- n7 o# Q8 S; l' zfrenquency 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。
5 X/ l7 B. A* |# s3 X

7 T& Q6 T- n( C1 ~

Fdatool界面

7 M2 a. z0 S. b; h
本设计中，首先在filter type中选择bandpass（带通滤波器）；
4 E0 ?# y# L* b# m9 w0 E/ v（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；
2 I1 p* R9 J7 a. \. }（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。
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。
  b% k6 |5 A0 I2 D& r) z

2 ?- r6 L  E: n9 F, C

通过Fdatool设计内核

其幅频曲线如下。
  v* O) p% d7 m( I0 _

! s7 Z' s1 s, b2 d6 b

幅频曲线

) E# K1 p% H" ~  G& a其相频特性如下
6 [" C( z1 h( T. x/ z1 M! `

相频特性

) p3 F8 z* p* } Matlab内核调用和测试

4 f) ?6 z! M6 H9 y# \# U1 u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 “。
, r1 ]2 k  g/ V5 q/ J* ?
# P- n" h: ?0 a4 M( F

: N1 e- z- y. u( N; c# W& C1 N& I

测试代码

2 F2 \. i+ ]+ j) r
1 I' Z7 Y$ v3 ^+ J6 V/ H$ |6 }& V 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。
1 K, `' S5 A; g/ V% r所加高频噪声信号为200Khz，低频5Khz。
1 Z. i6 ~$ x9 @% p8 R/ s2 k测试结果如下图所示
$ Q. Y! }9 E* M( e( f: G* c% ^$ [9 w: H, i

测试结果

4 j8 ]$ f6 Y9 o+ p+ r" S
  STM32移植内核

: V# H$ _8 j6 K3 o; ^9 ^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”，
+ [3 _, x/ L, \* A+ O4 p
0 Y5 Z: r4 e; e8 M, K3 u! R

Keil工程

% I& `/ f: c6 w) ^6 Y7 e, P+ B
% ~, _& a: X/ G- A6 s* J2 b1 a8 a 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。
' v6 C; a. H& Q5 N

" a5 l, R) \( q' v# j; o/ |/ s6 e6 ^

内核和测试数据

/ q5 K7 I8 T) X$ ?$ E 整个程序运行流程如下图所示
4 x% h' ?! |8 q2 ?* z0 B

STM32程序运行流程

5 f; B" l# \7 H+ u4 E9 z# p3 p 运行结果通过串口输出，如下图所示，运行结果6418us。

串口输出结果

. W& [) V+ b2 {% M% {& A9 \  y

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

4 P! h8 z. o, H; [/ a3 P
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Stm32执行结果MATLAB分析

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