【STM32F407的DSP教程】第29章 STM32F407移植汇编定点FFT库（64点，256点和1024点）
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第29章 STM32F407移植汇编定点FFT库（64点，256点和1024点）
本章主要讲解ST官方汇编FFT库的应用，包括1024点，256点和64点FFT的实现。
目录
29.1 汇编FFT库说明
29.1.1 描述
29.1.2 汇编库的移植
29.2 函数cr4_fft_1024_stm32的使用(含幅频和相频响应)
29.3 函数cr4_fft_256_stm32的使用
29.4 函数cr4_fft_64_stm32的使用
29.5 实验例程说明（MDK）
29.6 实验例程说明（IAR）
29.7 总结
29.1 汇编FFT库说明
29.1.1 描述
这个汇编的FFT库是来自STM32F10x DSP library，由于是汇编实现的，而且是基4算法，所以实现FFT在速度上比较快。
如果x[N]是采样信号的话，使用FFT时必须满足如下两条：
- N得满足4n（n =1，2, 3…..），也就是以4为基数。
- 采样信号必须是32位数据，高16位存实部，低16位存虚部（这个是针对大端模式），小端模式是高位存虚部，低位存虚部。一般常用的是小端模式。
汇编FFT的实现主要包括以下三个函数：
- cr4_fft_64_stm32 ：实现64点FFT。
- cr4_fft_256_stm32 ：实现256点FFT。
- cr4_fft_1024_stm32 ： 实现1024点FFT。
29.1.2 汇编库的移植
注：这里以MDK为例进行说明，IAR是一样的。
这个汇编库的移植比较简单，从本章配套例子User文件夹复制fft文件夹到自己的工程：
注意路径\User\fft\src\asm下有三个文件夹，分布是arm，gcc和iar，其中arm可用于MDK，gcc可用于Embedded Studio，iar可用于IAR FOR ARM。
三个文件夹里面都是如下几个文件，只是用于不用的编译器：
然后把FFT源文件的三个FFT汇编文件和两个头文件添加上即可，添加后效果如下(注意不同编译器添相应汇编文件)：
相应文件添加后还有最重要一条，要把stm32_dsp.h文件中的STM32F4的头文件：
最后别忘了添加路径：
经过上面的操作，汇编FFT库的移植就完成了。
29.2 函数cr4_fft_1024_stm32的使用(含幅频和相频响应)
cr4_fft_1024_stm32用于实现1024点数据的FFT计算。下面通过在开发板上运行这个函数并计算幅频相应，然后再与Matlab计算的结果做对比。
uint32_t input[1024], output[1024], Mag[1024];/* 输入，输出和幅值 */
float32_t Phase[1024]; /* 相位*/
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: PowerMag
* 功能说明: 求模值
* 形 参：_usFFTPoints FFT点数
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void PowerMag(uint16_t _usFFTPoints)
{
int16_t lX,lY;
uint16_t i;
float32_t mag;
/* 计算幅值 */
for (i=0; i < _usFFTPoints; i++)
{
lX= (output[i]<<16)>>16; /* 实部*/
lY= (output[i]>> 16); /* 虚部 */
arm_sqrt_f32((float32_t)(lX*lX+ lY*lY), &mag); /* 求模 */
Mag[i]= mag*2; /* 求模后乘以2才是实际模值，直流分量不需要乘2 */
}
/* 由于上面多乘了2，所以这里直流分量要除以2 */
Mag[0] = Mag[0]>>1;
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: Power_Phase_Radians
* 功能说明: 求相位
* 形 参：_usFFTPoints FFT点数， uiCmpValue 阀值
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void Power_Phase_Radians(uint16_t _usFFTPoints, uint32_t _uiCmpValue)
{
int16_t lX, lY;
uint16_t i;
float32_t phase;
float32_t mag;
for (i=0; i <_usFFTPoints; i++)
{
lX= (output[i]<<16)>>16; /* 实部 */
lY= (output[i] >> 16); /* 虚部 */
phase = atan2(lY, lX); /* atan2求解的结果范围是(-pi, pi], 弧度制 */
arm_sqrt_f32((float32_t)(lX*lX+ lY*lY), &mag); /* 求模 */
if(_uiCmpValue > mag)
{
Phase[i] = 0;
}
else
{
Phase[i] = phase* 180.0f/3.1415926f; /* 将求解的结果由弧度转换为角度 */
}
}
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_FFTPhase
* 功能说明: 1024点FFT的相位求解
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void DSP_FFTPhase(void)
{
uint16_t i;
/* 获得1024个采样点 */
for (i = 0; i < 1024; i++)
{
/* 波形是由直流分量，50Hz正弦波组成，波形采样率1024 */
input[i] = 1024 + 1024*cos(2*3.1415926f*50*i/1024 + 3.1415926f/3);
}
/* 计算1024点FFT
output：输出结果，高16位是虚部，低16位是实部。
input ：输入数据，高16位是虚部，低16位是实部。
第三个参数必须是1024。
*/
cr4_fft_1024_stm32(output, input, 1024);
/* 求幅值 */
PowerMag(1024);
/* 打印输出结果 */
for (i = 0; i < 1024; i++)
{
printf("%d\r\n", Mag[i]);
}
printf("=========================================\r\n");
/* 求相频 */
Power_Phase_Radians(1024, 100);
/* 打印输出结果 */
for (i = 0; i < 1024; i++)
{
printf("%f\r\n", Phase[i]);
}
}运行函数DSP_FFTPhase可以通过串口打印出计算的模值和相角，下面我们就通过Matlab计算的模值和相角跟cr4_fft_1024_stm32计算的做对比。
对比前需要先将串口打印出的数据加载到Matlab中，并给这个数组起名sampledata，加载方法在前面的教程的第13章13.6小结已经讲解，这里不做赘述了。Matlab中运行的代码如下：
Fs = 1024; % 采样率
N = 1024; % 采样点数
n = 0:N-1; % 采样序列
t = 0:1/Fs:1-1/Fs; % 时间序列
f = n * Fs / N; %真实的频率
%波形是由直流分量，50Hz正弦波正弦波组成
x = 1024 + 1024*cos(2*pi*50*t + pi/3) ;
y = fft(x, N); %对原始信号做FFT变换
Mag = abs(y);
subplot(2,2,1);
MagAct = Mag *2 / N;
MagAct(1) = MagAct(1)/2;
plot(f, MagAct);
title('Matlab计算幅频响应');
xlabel('频率');
ylabel('赋值');
subplot(2,2,2);
realvalue = real(y);
imagvalue = imag(y);
plot(f, atan2(imagvalue, realvalue)*180/pi.*(Mag>=1024*20));
title('Matlab计算相频响应');
xlabel('频率');
ylabel('相角');
subplot(2,2,3);
plot(f, sampledata1); %绘制STM32计算的幅频相应
title('STM32计算幅频响应');
xlabel('频率');
ylabel('赋值');
subplot(2,2,4);
plot(f, sampledata2); %绘制STM32计算的相频相应
title('STM32计算相频响应');
xlabel('频率');
ylabel('相角');运行Matlab后的输出结果如下：
从上面的对比结果中可以看出，Matlab和函数cr4_fft_1024_stm32计算的结果基本是一直的。幅频响应求出的幅值和相频响应中的求出的初始相角都是没问题的。
29.3 函数cr4_fft_256_stm32的使用
cr4_fft_256_stm32和cr4_fft_1024_stm32的用法是一样的，下面通过一个实例进行说明：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_FFT256
* 功能说明: 256点FFT实现
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void DSP_FFT256(void)
{
uint16_t i;
/* 获得256个采样点 */
for (i = 0; i < 256; i++)
{
/* 波形是由直流分量，50Hz正弦波和20Hz正弦波组成，波形采样率200Hz */
input[i] = 1024 + 1024*sin(2*3.1415926f*50*i/200) + 512*sin(2*3.1415926f*20*i/200) ;
}
/* 计算256点FFT
output：输出结果，高16位是虚部，低16位是实部。
input ：输入数据，高16位是虚部，低16位是实部。
第三个参数必须是1024。
*/
cr4_fft_256_stm32(output, input, 256);
/* 求幅值 */
PowerMag(256);
/* 打印输出结果 */
for (i = 0; i < 256; i++)
{
printf("%d\r\n", Mag[i]);
}
}运行函数DSP_FFT256可以通过串口打印出计算的模值，下面我们就通过Matlab计算的模值跟cr4_fft_256_stm32计算的模值做对比。
对比前需要先将串口打印出的数据加载到Matlab中，并给这个数组起名sampledata， Matlab中运行的代码如下：
Fs = 200; % 采样率
N = 256; % 采样点数
n = 0:N-1; % 采样序列
t = 0:1/Fs:1-1/Fs; % 时间序列
f = n * Fs / N; %真实的频率
%波形是由直流分量，50Hz正弦波和20Hz正弦波组成
x = 1024 + 1024*sin(2*pi*50*t) + 512*sin(2*pi*20*t) ;
y = fft(x, N); %对原始信号做FFT变换
subplot(2,1,1);
Mag = abs(y);
MagAct = Mag *2 / N;
MagAct(1) = MagAct(1)/2;
plot(f, MagAct); %绘制幅频相应曲线
title('Matlab计算结果');
xlabel('频率');
ylabel('幅度');
subplot(2,1,2);
plot(f, sampledata); %绘制STM32计算的幅频相应
title('STM32计算结果');
xlabel('频率');
ylabel('幅度');运行Matlab后的输出结果如下：
从上面的对比结果中可以看出，Matlab和函数cr4_fft_256_stm32计算的结果基本是一直的，但频率泄露略多。
29.4 函数cr4_fft_64_stm32的使用
cr4_fft_64_stm32和cr4_fft_1024_stm32的用法也是一样的，下面通过一个实例进行说明：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_FFT64
* 功能说明: 64点FFT实现
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void DSP_FFT64(void)
{
uint16_t i;
/* 获得64个采样点 */
for (i = 0; i < 64; i++)
{
/* 波形是由直流分量，5Hz正弦波和10Hz正弦波组成，波形采样率60Hz */
input[i] = 1024 + 1024*sin(2*3.1415926f*5*i/60) + 512*sin(2*3.1415926f*10*i/60) ;
}
/* 计算64点FFT
output：输出结果，高16位是虚部，低16位是实部。
input ：输入数据，高16位是虚部，低16位是实部。
第三个参数必须是1024。
*/
cr4_fft_64_stm32(output, input, 64);
/* 求幅值 */
PowerMag(64);
/* 打印输出结果 */
for (i = 0; i < 64; i++)
{
printf("%d\r\n", Mag[i]);
}
}运行函数DSP_FFT64可以通过串口打印出计算的模值，下面我们就通过Matlab计算的模值跟cr4_fft_64_stm32计算的模值做对比。
对比前需要先将串口打印出的数据加载到Matlab中，并给这个数组起名sampledata，Matlab中运行的代码如下：
Fs = 60; % 采样率
N = 64; % 采样点数
n = 0:N-1; % 采样序列
t = 0:1/Fs:1-1/Fs; % 时间序列
f = n * Fs / N; % 真实的频率
%波形是由直流分量，5Hz正弦波和10Hz正弦波组成
x = 1024 + 1024*sin(2*pi*5*t) + 512*sin(2*pi*10*t) ;
y = fft(x, N); %对原始信号做FFT变换
subplot(2,1,1);
Mag = abs(y);
MagAct = Mag *2 / N;
MagAct(1) = MagAct(1)/2;
plot(f, MagAct); %绘制幅频相应曲线
title('Matlab计算结果');
xlabel('频率');
ylabel('幅度');
subplot(2,1,2);
plot(f, sampledata); %绘制STM32计算的幅频相应
title('STM32计算结果');
xlabel('频率');
ylabel('幅度');运行Matlab后的输出结果如下：
从上面的对比结果中可以看出，Matlab和函数cr4_fft_64_stm32计算的结果基本是一直的，但是计算的效果都比较差，主要是因为采样点数太少。
29.5 实验例程说明（MDK）
配套例子：
V5-219_STM32F407移植ST汇编定点FFT库(64点，256点和1024点)
实验目的：
- 学习ST汇编定点FFT库（64点，256点和1024点）
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1，串口打印1024点FFT的幅频响应和相频响应。
- 按下按键K2，串口打印256点FFT的幅频响应。
- 按下按键K3，串口打印64点FFT的幅频响应。
使用AC6注意事项
特别注意附件章节C的问题
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1。
RTT方式打印信息：
程序设计：
系统栈大小分配：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: bsp_Init
* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
/*
STM32F407 HAL 库初始化，此时系统用的还是F407自带的16MHz，HSI时钟:
- 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
- 设置NVIV优先级分组为4。
*/
HAL_Init();
/*
配置系统时钟到168MHz
- 切换使用HSE。
- 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
*/
SystemClock_Config();
/*
Event Recorder：
- 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
- 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章
*/
#if Enable_EventRecorder == 1
/* 初始化EventRecorder并开启 */
EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
EventRecorderStart();
#endif
bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */
bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
bsp_InitExtIO(); /* 初始化扩展IO */
bsp_InitLed(); /* 初始化LED */
}主功能：
主程序实现如下操作：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1，串口打印1024点FFT的幅频响应和相频响应。
- 按下按键K2，串口打印256点FFT的幅频响应。
- 按下按键K3，串口打印64点FFT的幅频响应。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: main
* 功能说明: c程序入口
* 形 参: 无
* 返 回 值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */
bsp_Init(); /* 硬件初始化 */
PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */
PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */
bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
/* 进入主程序循环体 */
while (1)
{
bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */
if (bsp_CheckTimer(0)) /* 判断定时器超时时间 */
{
/* 每隔500ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(4); /* 翻转LED2的状态 */
}
ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
if (ucKeyCode != KEY_NONE)
{
switch (ucKeyCode)
{
case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下 */
DSP_FFTPhase();
break;
case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下 */
DSP_FFT256();
break;
case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下 */
DSP_FFT64();
break;
default:
/* 其它的键值不处理 */
break;
}
}
}
}29.6 实验例程说明（IAR）
配套例子：
V5-219_STM32F407移植ST汇编定点FFT库(64点，256点和1024点)
实验目的：
- 学习ST汇编定点FFT库（64点，256点和1024点）
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1，串口打印1024点FFT的幅频响应和相频响应。
- 按下按键K2，串口打印256点FFT的幅频响应。
- 按下按键K3，串口打印64点FFT的幅频响应。
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1。
RTT方式打印信息：
程序设计：
系统栈大小分配：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: bsp_Init
* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
/*
STM32F407 HAL 库初始化，此时系统用的还是F407自带的16MHz，HSI时钟:
- 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
- 设置NVIV优先级分组为4。
*/
HAL_Init();
/*
配置系统时钟到168MHz
- 切换使用HSE。
- 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
*/
SystemClock_Config();
/*
Event Recorder：
- 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
- 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章
*/
#if Enable_EventRecorder == 1
/* 初始化EventRecorder并开启 */
EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
EventRecorderStart();
#endif
bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */
bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
bsp_InitExtIO(); /* 初始化扩展IO */
bsp_InitLed(); /* 初始化LED */
}主功能：
主程序实现如下操作：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1，串口打印1024点FFT的幅频响应和相频响应。
- 按下按键K2，串口打印256点FFT的幅频响应。
- 按下按键K3，串口打印64点FFT的幅频响应。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: main
* 功能说明: c程序入口
* 形 参: 无
* 返 回 值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */
bsp_Init(); /* 硬件初始化 */
PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */
PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */
bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
/* 进入主程序循环体 */
while (1)
{
bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */
if (bsp_CheckTimer(0)) /* 判断定时器超时时间 */
{
/* 每隔500ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(4); /* 翻转LED2的状态 */
}
ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
if (ucKeyCode != KEY_NONE)
{
switch (ucKeyCode)
{
case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下 */
DSP_FFTPhase();
break;
case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下 */
DSP_FFT256();
break;
case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下 */
DSP_FFT64();
break;
default:
/* 其它的键值不处理 */
break;
}
}
}
}29.7 总结
本章节主要讲解了汇编FFT的1024点，256点和64点使用方法，有兴趣的可以深入了解汇编代码的实现。