【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：

/******************************************************************
0 G/ K, a* O( {2 B2 k8 g" K
函数名称:InitBufInArray()
4 ^6 U2 z: s5 l# [6 ~' t7 U
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)
; h, ~7 ^8 T+ d" H/ P3 O0 Z' D2 V
参数说明:) c P* V3 Q3 \- |' r
备注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，* ]/ n$ v& M9 c8 d( s
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
3 g, I. P5 y% u$ V t
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
4 c. j" |/ \, X& ?
*******************************************************************/. K% M4 I( r. Q7 j7 |) v
void InitBufInArray()
5 T. F& i+ {2 G; F( X% U
{" d/ s: t/ D- `# n
unsigned short i;
- S/ X& l2 a: v9 h. u
float fx;
" r6 R0 p$ y; f9 N3 B& s- t
for(i=0; i<NPT; i++): `$ b' y1 q6 P, S1 P
{. a$ ]0 ^3 o8 |' |
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +9 D4 ?" Q% M2 A. Z) B. |
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +& J: |# d5 _; T/ b# o
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);
, K3 ]) k! N S4 |" @
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;8 s6 [& z- Y# b5 E
}7 q6 U" q" z3 r/ w: Q4 U1 e- d
}

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/ `$ ]: D# G6 l
函数名称:GetPowerMag()3 X% w& @9 j0 Q+ D
函数功能:计算各次谐波幅值
7 V! m9 h$ E; ^/ ~
参数说明:
3 t& R' _7 E5 K# A, H
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), v0 R, E( ]& E0 [ N3 t
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）8 |, {( L$ |, z/ |- X* r f& p ]% m0 A
*******************************************************************/# p' | k: ^$ I3 |% z8 n M
void GetPowerMag()
% X, b7 k D( I; D
{
0 R. u$ K, H$ G( {9 l: m' J
signed short lX,lY;! f2 S# |8 v/ w, d7 @$ M
float X,Y,Mag;
# \7 N9 S8 I" b& r& x: X# Q7 t
unsigned short i;5 e# @4 J# |0 o" M' a2 X
for(i=0; i<NPT/2; i++)
6 \* }+ f( c$ p: ^
{; V. G/ R9 Y$ r8 a9 A
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
% g/ D x: u' Y8 e3 c, [
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);
1 g* I: W6 H8 N: j
X = NPT * ((float)lX) / 32768;! x! @! w) x$ y/ H! Y
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
' e4 U B3 N0 p N
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;* a" z4 b- k$ m$ u, G" h# Z# L
if(i == 0)& R: w4 B/ Q q* a$ a
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);4 ~: g3 C' M0 T- L/ S( t9 e
else
; D/ X9 @6 U0 A( j8 w
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);/ w4 \+ k, C7 S$ [& B
}* s# \, O6 j1 j/ l: E; D
}