【玩转单片机系列002】 如何使用STM32提供的DSP库进行FFT |
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【玩转单片机系列002】 如何使用STM32提供的DSP库进行FFT
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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 大家可以从网上搜索下载得到STM32的DSP库，这里提供一个下载的地址： https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/cortex_mx_stm32/DispForm.aspx?ID=30831&RootFolder=%2fpublic%2fSTe2ecommunities%2fmcu%2fLists%2fcortex%5fmx%5fstm32%2fSTM32F10x%20DSP%20library%2c%20where%20is%20it 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： 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 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 }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：  
i, P, Mag, X, Y
0, 0, 4, 0, -4
1, 175, 14, -6, -4
2, 350, 1492, 746, -3
3, 525, 11, -5, -3
4, 700, 8, -3, -3
5, 875, 8, -4, -2
6, 1050, 6, -3, 0
7, 1225, 6, -3, 0
8, 1400, 8, -4, -2
9, 1575, 8, -4, 0
10, 1750, 4, -2, 0
11, 1925, 8, -4, -1
12, 2100, 6, -3, 0
13, 2275, 5, -2, -2
14, 2450, 6, -3, -1
15, 2625, 8, -3, -3
16, 2800, 4, -2, 0
17, 2975, 6, -3, -1
18, 3150, 6, -3, 0
19, 3325, 6, -3, 0
20, 3500, 2, -1, 0
21, 3675, 4, -2, 0
22, 3850, 4, -2, 0
23, 4025, 4, -2, 0
24, 4200, 6, -3, 0
25, 4375, 6, -3, 0
26, 4550, 4, -2, 0
27, 4725, 6, -3, 0
28, 4900, 2, -1, 0
29, 5075, 4, -2, -1
30, 5250, 4, -2, 0
31, 5425, 2, -1, 0
32, 5600, 4, -2, -1
33, 5775, 6, -3, -1
34, 5950, 2, -1, -1
35, 6125, 6, -3, -1
36, 6300, 2, -1, 0
37, 6475, 6, -3, 0
38, 6650, 4, -2, 0
39, 6825, 4, -2, -1
40, 7000, 2, -1, 0
41, 7175, 6, -3, 0
42, 7350, 2, -1, 0
43, 7525, 2, -1, 0
44, 7700, 2, -1, 0
45, 7875, 2, -1, 0
46, 8050, 4, -2, 0
47, 8225, 2, -1, 0
48, 8400, 2696, 1348, 0
49, 8575, 2, -1, -1
50, 8750, 0, 0, 0
51, 8925, 4, -2, -1
52, 9100, 2, 0, -1
53, 9275, 0, 0, 0
54, 9450, 2, -1, -1
55, 9625, 2, -1, 0
56, 9800, 2, -1, 0
57, 9975, 2, -1, -1
58, 10150, 2, -1, -1
59, 10325, 2, -1, 0
60, 10500, 0, 0, 0
61, 10675, 2, -1, 0
62, 10850, 4, -2, -1
63, 11025, 2, -1, -1
64, 11200, 0, 0, 0
65, 11375, 2, -1, 0
66, 11550, 0, 0, 0
67, 11725, 2, -1, -1
68, 11900, 2, -1, -1
69, 12075, 2, -1, 1
70, 12250, 2, -1, 1
71, 12425, 4, -2, 1
72, 12600, 4, -2, -1
73, 12775, 2, -1, 1
74, 12950, 0, 0, 0
75, 13125, 4, -2, 0
76, 13300, 4, -2, 0
77, 13475, 2, -1, 0
78, 13650, 2, -1, 0
79, 13825, 4, -2, -1
80, 14000, 2, -1, 0
81, 14175, 4, -2, 0
82, 14350, 2, -1, 1
83, 14525, 4, -2, 1
84, 14700, 4, -2, 1
85, 14875, 2, -1, 1
86, 15050, 4, -2, 0
87, 15225, 2, -1, 0
88, 15400, 4, -2, 1
89, 15575, 4, -2, 1
90, 15750, 2, -1, 0
91, 15925, 2, -1, 1
92, 16100, 2, -1, 1
93, 16275, 2, -1, 1
94, 16450, 4, -2, 1
95, 16625, 2, -1, 1
96, 16800, 2, -1, -1
97, 16975, 4, -2, 0
98, 17150, 2, -1, 0
99, 17325, 4, -2, 0
100, 17500, 4, -2, 1
101, 17675, 4, -2, 0
102, 17850, 4, -2, 1
103, 18025, 4, -2, -1
104, 18200, 2, -1, 1
105, 18375, 4, -2, 0
106, 18550, 2, -1, 1
107, 18725, 3996, 1998, 1
108, 18900, 2, -1, 0
109, 19075, 2, -1, 1
110, 19250, 4, -2, 1
111, 19425, 4, -2, 1
112, 19600, 2, 0, 1
113, 19775, 2, -1, 0
114, 19950, 0, 0, 0
115, 20125, 4, -2, 1
116, 20300, 2, 0, 1
117, 20475, 2, 0, 1
118, 20650, 2, -1, 1
119, 20825, 2, -1, 1
120, 21000, 2, -1, 1
121, 21175, 2, -1, 0
122, 21350, 2, 0, 1
123, 21525, 2, -1, 0
124, 21700, 0, 0, 0
125, 21875, 2, -1, 1
126, 22050, 2, -1, 1
127, 22225, 2, 0, 1
View Code
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。
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