STM32 进阶教程 19 - IQmath数学库的使用

前言

STM32 M3 系列是不带浮点运算单元的，小数运算都是采用定点转浮点试式实现的，本节给大家介绍一个很好用的定点转浮点数学运算库，IQmath是德州仪器 (TI) 的一个高度优化的高精度数学函数集合，使 C/C++ 编程人员可以将浮点算法无缝植入定点代码中。这些例程通常用于计算密集型实时应用，最佳执行速度和高精确度是这些应用的关键。通过使用这些例程，您可以获得比使用标准 ANSIC 语言编写的等效代码更快的执行速度。 IQmath 库还能通过定义可编程动态范围和分辨率，解决定点数学的局限性。

IQmath 优势：

· 用于定点处理器的数学函数库加快了计算浮点值的速度

o 提供 Sin，cos，tan，arcsin，arccos，sqrt，fractional mpy，dv 等的计算

· 加快了对以下操作的处理速度：

o 电机控制

o 伺服控制

o 音频/图像编码和解码

o 定点 Q 数学

o 图形旋转

· 可根据应用要求调节分辨率

o 指定 GLOBAL_Q 24

· 可在定点和浮点器件之间实现代码的无缝兼容性

 

IQmath 函数表

· 格式转换实用程序

atoIQN, IQN, IQNfrac, IQNint, IQNtoa, IQNtoD, IQNtoF, IQNtoIQ,

IQtoIQN, IQtoQN, QNtoIQ

· 算术函数

IQdiv, IQmpy, IQNdiv, IQNmpy, IQNmpy, IQNmpyI32, IQNmpyI32frac,

IQNmpyI32int, IQNmpyIQX, IQNrmpy, IQNrsmpy

· 三角函数

IQNacos, IQNasin, IQNatan, IQNatan2, IQNatan2PU, IQNcos, IQNcosPU,

IQNsin, IQNsinPU

· 数学函数

IQNexp2, IQNisqrt, IQNmag, IQNsqrt

· 其它

IQNabs, IQNsat

 

本节将给大家展示一下如保在STM32f103系列MCU中如何使用IQmath数字库，以及其与标准数学库在效率上的对比。

示例详解

基于硬件平台： STM32F10C8T6最小系统板， MCU 的型号是 STM32F103c8t6, 使用stm32cubemx 工具自动产生的配置工程，使用KEIL5编译代码。

 

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本示例所用的最小系统板原理图：

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1. 关于CUBEMX工具及KEIL工具的操作将不再细讲，如果还有不熟悉的可以查看之前的教程文档。下面直接介绍工程配置：

1. 系统时钟树

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1. 串口配置-用于打印数据

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1. 引脚配置

 

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1. 中断配置（保持默认）

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1. 调整堆栈大：

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1. 工程代码

 

1. 加入IQmath数学库，并加入头文件所在路径

1. 在main.c中加入如下代码

​ ​

1. 编译工程无错误后，调试程序，连接好串口1，并打开PC上的串口调试工具：

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运行程序，结果如下：

可以看到，用IQmath后，同样做40000次运算，IQmath库所用时间大大减小，只有标准库的1/5多一点点，时间大大降低。不过需要注意的是在使用IQmath时需要多多注意数据范围，比如本例中IQ变量采用默认的24位（可以在IQmathLib.h 中修改GLOBAL_Q 值来更改IQ数据格式 ），即long(32)位中，高8位且于表示整数，低24位用于表示小数，那个 _iq 定义的主量范围是 -128~127.999999，这也是为什么本例代码要写成用i,j,z三个循环来操作，且z最大取40的原因,若将z最大值设为50，代码及对应结果如下：

IQmath中加和减可能直接用运算符 +/-，但乘除等其它运算需在用到专门的函数如本例中用到的乘法运算 _IQmpy，除法 _IQdiv ,当然不有提定格式乘除运德  _IQNmpy, _IQNdiv,N是IQ数据格式，如_IQ16mpy, _IQ12div等。下数提供一些常用函数列表：

· 格式转换实用程序

atoIQN, IQN, IQNfrac, IQNint, IQNtoa, IQNtoD, IQNtoF, IQNtoIQ,

IQtoIQN, IQtoQN, QNtoIQ

· 算术函数

IQdiv, IQmpy, IQNdiv, IQNmpy, IQNmpy, IQNmpyI32, IQNmpyI32frac,

IQNmpyI32int, IQNmpyIQX, IQNrmpy, IQNrsmpy

· 三角函数

IQNacos, IQNasin, IQNatan, IQNatan2, IQNatan2PU, IQNcos, IQNcosPU,

IQNsin, IQNsinPU

· 数学函数

IQNexp2, IQNisqrt, IQNmag, IQNsqrt

· 其它

IQNabs, IQNsat

 

关于IQmath下载及接口函数使用介绍可以去TI官网下载安装StellarisWare工具，在该工具中包含有各种不同处理器的IQmath库，以及使用帮助文档。在StellarisWare工具的安装目录 StellarisWare\IQmath 下包含了 IQmath 库如下图：

简要的iqmath说明文教程：https://blog.csdn.net/zhanglifu3601881/article/details/97617573

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