你的浏览器版本过低,可能导致网站不能正常访问!
为了你能正常使用网站功能,请使用这些浏览器。

【经验分享】如何使用STM32提供的DSP库进行FFT

[复制链接]
STMCU小助手 发布时间:2022-1-15 23:08
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。
092014394315467.png
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。
092016446347416.png
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:
  1. /******************************************************************
  2. 函数名称:InitBufInArray()
  3. 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)
  4. 参数说明:
  5. 备    注:在lBufInArray数组中,每个数据的高16位存储采样数据的实部,
  6.           低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
  7. 作  者:博客园 依旧淡然(http://www.cnblogs.com/menlsh/)
  8. *******************************************************************/
  9. void InitBufInArray()
  10. {
  11.     unsigned short i;
  12.     float fx;
  13.     for(i=0; i<NPT; i++)
  14.     {
  15.         fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +
  16.              2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +
  17.              4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);
  18.         lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
  19.     }
  20. }
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:
  1. /******************************************************************
  2. 函数名称:GetPowerMag()
  3. 函数功能:计算各次谐波幅值
  4. 参数说明:
  5. 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)
  6. 作  者:博客园 依旧淡然(http://www.cnblogs.com/menlsh/)
  7. *******************************************************************/
  8. void GetPowerMag()
  9. {
  10.     signed short lX,lY;
  11.     float X,Y,Mag;
  12.     unsigned short i;
  13.     for(i=0; i<NPT/2; i++)
  14.     {
  15.         lX  = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
  16.         lY  = (lBufOutArray[i] >> 16);
  17.         X = NPT * ((float)lX) / 32768;
  18.         Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
  19.         Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;
  20.         if(i == 0)
  21.             lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
  22.         else
  23.             lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);
  24.     }
  25. }
复制代码

  其中,数组lBufMagArray存储了各次谐波的幅值。
2.6实验结果
  通过串口,我们可以将lBufMagArray数组中各次谐波的幅值(即各个频率分量的幅值)输出打印出来,具体实验数据如下所示:
  1. i,         P,       Mag,         X,         Y
  2.    0,         0,         4,         0,        -4
  3.    1,       175,        14,        -6,        -4
  4.    2,       350,      1492,       746,        -3
  5.    3,       525,        11,        -5,        -3
  6.    4,       700,         8,        -3,        -3
  7.    5,       875,         8,        -4,        -2
  8.    6,      1050,         6,        -3,         0
  9.    7,      1225,         6,        -3,         0
  10.    8,      1400,         8,        -4,        -2
  11.    9,      1575,         8,        -4,         0
  12.   10,      1750,         4,        -2,         0
  13.   11,      1925,         8,        -4,        -1
  14.   12,      2100,         6,        -3,         0
  15.   13,      2275,         5,        -2,        -2
  16.   14,      2450,         6,        -3,        -1
  17.   15,      2625,         8,        -3,        -3
  18.   16,      2800,         4,        -2,         0
  19.   17,      2975,         6,        -3,        -1
  20.   18,      3150,         6,        -3,         0
  21.   19,      3325,         6,        -3,         0
  22.   20,      3500,         2,        -1,         0
  23.   21,      3675,         4,        -2,         0
  24.   22,      3850,         4,        -2,         0
  25.   23,      4025,         4,        -2,         0
  26.   24,      4200,         6,        -3,         0
  27.   25,      4375,         6,        -3,         0
  28.   26,      4550,         4,        -2,         0
  29.   27,      4725,         6,        -3,         0
  30.   28,      4900,         2,        -1,         0
  31.   29,      5075,         4,        -2,        -1
  32.   30,      5250,         4,        -2,         0
  33.   31,      5425,         2,        -1,         0
  34.   32,      5600,         4,        -2,        -1
  35.   33,      5775,         6,        -3,        -1
  36.   34,      5950,         2,        -1,        -1
  37.   35,      6125,         6,        -3,        -1
  38.   36,      6300,         2,        -1,         0
  39.   37,      6475,         6,        -3,         0
  40.   38,      6650,         4,        -2,         0
  41.   39,      6825,         4,        -2,        -1
  42.   40,      7000,         2,        -1,         0
  43.   41,      7175,         6,        -3,         0
  44.   42,      7350,         2,        -1,         0
  45.   43,      7525,         2,        -1,         0
  46.   44,      7700,         2,        -1,         0
  47.   45,      7875,         2,        -1,         0
  48.   46,      8050,         4,        -2,         0
  49.   47,      8225,         2,        -1,         0
  50.   48,      8400,      2696,      1348,         0
  51.   49,      8575,         2,        -1,        -1
  52.   50,      8750,         0,         0,         0
  53.   51,      8925,         4,        -2,        -1
  54.   52,      9100,         2,         0,        -1
  55.   53,      9275,         0,         0,         0
  56.   54,      9450,         2,        -1,        -1
  57.   55,      9625,         2,        -1,         0
  58.   56,      9800,         2,        -1,         0
  59.   57,      9975,         2,        -1,        -1
  60.   58,     10150,         2,        -1,        -1
  61.   59,     10325,         2,        -1,         0
  62.   60,     10500,         0,         0,         0
  63.   61,     10675,         2,        -1,         0
  64.   62,     10850,         4,        -2,        -1
  65.   63,     11025,         2,        -1,        -1
  66.   64,     11200,         0,         0,         0
  67.   65,     11375,         2,        -1,         0
  68.   66,     11550,         0,         0,         0
  69.   67,     11725,         2,        -1,        -1
  70.   68,     11900,         2,        -1,        -1
  71.   69,     12075,         2,        -1,         1
  72.   70,     12250,         2,        -1,         1
  73.   71,     12425,         4,        -2,         1
  74.   72,     12600,         4,        -2,        -1
  75.   73,     12775,         2,        -1,         1
  76.   74,     12950,         0,         0,         0
  77.   75,     13125,         4,        -2,         0
  78.   76,     13300,         4,        -2,         0
  79.   77,     13475,         2,        -1,         0
  80.   78,     13650,         2,        -1,         0
  81.   79,     13825,         4,        -2,        -1
  82.   80,     14000,         2,        -1,         0
  83.   81,     14175,         4,        -2,         0
  84.   82,     14350,         2,        -1,         1
  85.   83,     14525,         4,        -2,         1
  86.   84,     14700,         4,        -2,         1
  87.   85,     14875,         2,        -1,         1
  88.   86,     15050,         4,        -2,         0
  89.   87,     15225,         2,        -1,         0
  90.   88,     15400,         4,        -2,         1
  91.   89,     15575,         4,        -2,         1
  92.   90,     15750,         2,        -1,         0
  93.   91,     15925,         2,        -1,         1
  94.   92,     16100,         2,        -1,         1
  95.   93,     16275,         2,        -1,         1
  96.   94,     16450,         4,        -2,         1
  97.   95,     16625,         2,        -1,         1
  98.   96,     16800,         2,        -1,        -1
  99.   97,     16975,         4,        -2,         0
  100.   98,     17150,         2,        -1,         0
  101.   99,     17325,         4,        -2,         0
  102. 100,     17500,         4,        -2,         1
  103. 101,     17675,         4,        -2,         0
  104. 102,     17850,         4,        -2,         1
  105. 103,     18025,         4,        -2,        -1
  106. 104,     18200,         2,        -1,         1
  107. 105,     18375,         4,        -2,         0
  108. 106,     18550,         2,        -1,         1
  109. 107,     18725,      3996,      1998,         1
  110. 108,     18900,         2,        -1,         0
  111. 109,     19075,         2,        -1,         1
  112. 110,     19250,         4,        -2,         1
  113. 111,     19425,         4,        -2,         1
  114. 112,     19600,         2,         0,         1
  115. 113,     19775,         2,        -1,         0
  116. 114,     19950,         0,         0,         0
  117. 115,     20125,         4,        -2,         1
  118. 116,     20300,         2,         0,         1
  119. 117,     20475,         2,         0,         1
  120. 118,     20650,         2,        -1,         1
  121. 119,     20825,         2,        -1,         1
  122. 120,     21000,         2,        -1,         1
  123. 121,     21175,         2,        -1,         0
  124. 122,     21350,         2,         0,         1
  125. 123,     21525,         2,        -1,         0
  126. 124,     21700,         0,         0,         0
  127. 125,     21875,         2,        -1,         1
  128. 126,     22050,         2,        -1,         1
  129. 127,     22225,         2,         0,         1
复制代码

  在以上的实验数据中,我们分别打印出来了点数、频率、幅值、实部、虚部信息。
  由以上的实验数据,我们可以看出,在频率为350Hz,8400Hz和18725Hz时,幅值出现峰值,分别为1492、2696和3996,这与我们所预期的结果正好相符,从而验证了实验结果的正确性。

收藏 评论0 发布时间:2022-1-15 23:08

举报

0个回答

所属标签

相似分享

官网相关资源

关于
我们是谁
投资者关系
意法半导体可持续发展举措
创新与技术
意法半导体官网
联系我们
联系ST分支机构
寻找销售人员和分销渠道
社区
媒体中心
活动与培训
隐私策略
隐私策略
Cookies管理
行使您的权利
官方最新发布
STM32N6 AI生态系统
STM32MCU,MPU高性能GUI
ST ACEPACK电源模块
意法半导体生物传感器
STM32Cube扩展软件包
关注我们
st-img 微信公众号
st-img 手机版