基於HAL庫的STM32的DSP庫詳解(附FFT應用)

2020 年 11 月 30 日
筆記
STM32學習筆記

1 . 建立工程，生成程式碼時選擇包含所有庫。

2. 打開 option for target 選擇 Target 標籤，在code generatio中，將floating point hardware 選擇 USE Single Precision。

3. 打開 option for target 選擇 C/C++ 標籤

在define後添加：__TARGET_FPU_VFP,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,由於使用HAL的庫，所以前面有USE_HAL_DRIVER,STM32F429xx的全局宏定義，如果使用的不是HAL庫，而是使用韌體庫的話，一般會有韌體庫的一個全局宏定義USE_STDPERIPH_DRIVER和STM32F4XXxx在裡面。所以當前只需要添加

__TARGET_FPU_VFP,

ARM_MATH_MATRIX_CHECK,

ARM_MATH_ROUNDING,

ARM_MATH_CM4,

__CC_ARM

注意中間用英文逗號分開。其中ARM_MATH_MATRIX_CHECK是庫函數的參數檢查開關。ARM_MATH_ROUNDING這個是庫函數在運算是是否開啟四捨五入的功能，可以根據實際需要進行配置。ARM_MATH_CM4這個就非常重要，必須要配置進去，否則在編譯之後，會默認使用math.h的庫函數，而不會用到硬體的FPU的。__CC_ARM是不同編譯器的編譯配置宏定義，__CC_ARM就是代表MDK開發環境。

4. 添加浮點庫(.lib)文件到工程(或者添加源碼庫文件)。

如果用的是 uv4，打開 C:\Keil\ARM\CMSIS\Lib\ARM 目錄，複製「arm_cortexM4lf_math.lib」文件到你的工程下，並加入工程。

如果用的是 uv5，打開 C:\Keil_v5\ARM\Pack\ARM\CMSIS\4.2.0\CMSIS\Lib\ARM 目錄，複製「arm_cortexM4lf_math.lib」文件到工程下，並加入工程，4.2.0是庫的版本，每個版本可能不一樣。

也可以從官方下載韌體庫程式包中複製也行， \STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib\Libraries\CMSIS\Lib\ARM

如果查看DSP庫的各個函數的原型，可以添加源碼庫文件，則當前工程目錄下的Drivers\CMSIS\DSP_Lib\Source目錄可以查看，當然安裝目錄下也有該庫源文件。

BasicMathFunctions

基本數學函數：提供浮點數的各種基本運算函數，如向量加減乘除等運算。

CommonTables

arm_common_tables.c文件提供位翻轉或相關參數表。

ComplexMathFunctions

複雜數學功能，如向量處理，求模運算的。

ControllerFunctions

控制功能函數。包括正弦餘弦，PID電機控制，矢量Clarke變換，矢量Clarke逆變換等。

FastMathFunctions

快速數學功能函數。提供了一種快速的近似正弦，餘弦和平方根等相比CMSIS計算庫要快的數學函數。

FilteringFunctions

濾波函數功能，主要為FIR和LMS（最小均方根）等濾波函數。

MatrixFunctions

矩陣處理函數。包括矩陣加法、矩陣初始化、矩陣反、矩陣乘法、矩陣規模、矩陣減法、矩陣轉置等函數。

StatisticsFunctions

統計功能函數。如求平均值、最大值、最小值、計算均方根RMS、計算方差/標準差等。

SupportFunctions

支援功能函數，如數據拷貝，Q格式和浮點格式相互轉換，Q任意格式相互轉換。

TransformFunctions

變換功能。包括複數FFT（CFFT）/複數FFT逆運算（CIFFT）、實數FFT（RFFT）/實數FFT逆運算（RIFFT）、和DCT（離散餘弦變換）和配套的初始化函數。

相關函數說明以及示例也可在安裝路徑Keil_v5\ARM\PACK\ARM\CMSIS\4.5.0\CMSIS\Documentation\DSP\html下獲得，自行查閱。

5. DSP庫的FFT變換示例。

在工程的main.c文件中添加如下程式碼

說明：取樣頻率為1024Hz，fft點數為1024點,則頻率解析度，計算公式：解析度=取樣頻率/取樣點數 = 1Hz，此時能看到0Hz,1Hz,2Hz,3Hz,…..512Hz的頻率分量。

FFTOutput這個數組中，下標0對應的元素就是0Hz(也就是直流分量)的幅度，下標1對應的就是1Hz的幅度，下標2對應2Hz的幅度……,依次類推。

此點非常重要，例如取樣率為2048Hz,那麼頻率解析度為2Hz,那麼能看到0Hz,2Hz,4Hz,6Hz,…..1024Hz的頻率分量

FFTOutput這個數組中，下標0對應的元素就是0Hz(也就是直流分量)的幅度，下標1對應的就是2Hz的幅度，下標2對應4Hz的幅度……,依次類推。此時去看1Hz,3Hz，則會出現誤差比較大的情況。

#include "arm_math.h"                  //添加頭文件
#define  FFT_LENGTH        1024        //FFT長度，默認是1024點FFT
#define  SAMPLE_FREQ       1024        //取樣頻率

float fft_inputbuf[FFT_LENGTH*2];      //FFT輸入輸出數組，此數組為arm_cfft_radix4_f32的輸入輸出數組，前一個元素為實部，後一個為虛部，每兩個元素代表一個點.
float fft_outputbuf[FFT_LENGTH];    //arm_cmplx_mag_f32()幅度輸出數組
arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft; //fft變換的初始化參數

在主函數進入while(1)之前添加如下程式碼

說明：arm_sin_f32函數生成取樣點，取樣訊號為DC訊號，100Hz，150Hz訊號的疊加，此時解析度為1Hz，剛好能夠看到DC， 100Hz，150Hz頻率分量的幅度，分別對應fft幅度輸出數組的下標0,100,150

arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化scfft結構體，設定FFT相關參數
for(int i=0;i<FFT_LENGTH;i++)//生成訊號序列
{
 fft_inputbuf[2*i]=15 + 10*arm_sin_f32(2*PI*i*100/SAMPLE_FREQ) + \
                  5.5*arm_sin_f32(2*PI*i*150/SAMPLE_FREQ); //生成實部         
 fft_inputbuf[2*i+1]=0;//虛部全部為0
}
arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf);    //FFT計算（基4（即fft長度2^2*n），FFT長度只能為64，256，1024，4096目前測試過這幾個長度,）
arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH);    //把運算結果複數求模得幅值