工具和简介 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。; Z, A# `' @1 g6 ~2 k 测试MATLAB版本:R2008a;' a2 f0 j& V+ O7 \; D 测试单片机:STM32F303VCT6 Keil版本:Keil uVision V5.10.0.2, U8 j; w$ r2 r" v6 ~/ M STM32CubeMx版本:uVision V4.16.03 E$ i8 t$ w9 f' c" w+ ? STM32库版本:STM32Cube_FW_F3_V1.6.05 c; v0 l' \ @1 @3 c7 F MCU工作频率:72MHz& `, m3 _$ L9 N# k* {" e' r / R8 |% X1 D+ B 内核设计 如下图,运行MATLAB,在命令窗口输入fdatool,并回车启动fdatool。, V# [* G0 _9 W( \3 ^ 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。 ( j+ ]1 }: N- `4 w4 n* L8 D/ w& { 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。" l+ K# X! Z, z8 }. |3 V 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。 2 F+ }2 T4 y) f0 ~2 K. x 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。, P; u: O, y" | } 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。- Q- h1 W }, L, g3 g8 R+ M" ?6 q - p3 g! H- L) W# E Fdatool界面 本设计中,首先在filter type中选择bandpass(带通滤波器); (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;6 `* M5 l3 s9 ? (2)指定filter order项中的specify order=100; (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。) g) M' p* w0 ^0 p 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。- X" \- {( q$ p. R 通过Fdatool设计内核 ; V" Y) P+ K" w* T! x其幅频曲线如下。- z& j* S$ P3 Y8 s6 S+ N2 P/ m 幅频曲线 其相频特性如下2 f3 q9 y1 Q) u! e6 ? 相频特性 6 Z" `7 ]. v v, T" A# NMatlab内核调用和测试$ k* J: t, J1 I4 X" q. k, x 4 I$ S* ?; m9 j' X# e 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 “。 测试代码 ; U+ q. `# k0 Q5 M+ g- ?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。6 n6 I* t7 B6 z* m- w0 B 所加高频噪声信号为200Khz,低频5Khz。; V! k' D& A% L5 b" M5 l+ r: q1 M2 k; y+ l 测试结果如下图所示 测试结果 * Y9 {+ Y6 p5 Z1 QSTM32移植内核 2 X) I8 O8 [5 Y7 X5 w# n2 k7 E; P! j 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”,6 K& P9 R0 e- A4 y 7 f* ]+ K3 S: m8 V Keil工程 4 ~/ d- A0 J h) O2 [- m 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。( M+ F, P" s% p0 ] 内核和测试数据 + X* M% ^9 R F4 ?- V 整个程序运行流程如下图所示 1 C: V. v& Q1 d9 Z2 F, z" E STM32程序运行流程 / o9 b- c+ \. Q 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 I# g' o! P& Q- {7 k 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 + q. q7 y1 l% L+ D u+ L+ e g; Y4 J2 O1 G& d# L: i' o. L) S Stm32执行结果MATLAB分析 5 U( z9 J! t( h2 t; L ' t8 t# g7 L% R+ d! W |
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