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本章,我们将指导大家入门STM32F103的DSP,手把手教大家搭建DSP库测试环境,同时通过对DSP库中的几个基本数学功能函数和FFT快速傅里叶变换函数的测试,让大家对STM32F103的DSP库有个基本的了解。
本章分为如下几个小节:
56.1 DSP简介与环境搭建
56.2 硬件设计
56.3 软件设计
56.4 下载验证
本节将分两个部分:1,STM32F103 DSP简介;2,DSP库运行环境搭建。
56.1.1 STM32F103 DSP简介
STM32F103采用Cortex-M3内核,没有内置硬件FPU单元,也没有DSP指令集。那么在数字信号处理能力方面比较有比较大的提升就要选择Cortex-M4和Cortex-M7。我们这里只是通过调用DSP库进行测试。
接下来我们来介绍一下STM32F1的DSP库。STM32F1的DSP库源码和测试实例在ST提供的HAL库固件包里就有提供:en.stm32cubef1.zip里面就有(该文件可以在www.st.com网站下载,搜索STM32CubeF1即可找到最新版本),该文件在:A盘 8,STM32参考资料1,STM32CubeF1固件包文件夹里面,解压该文件,即可找到ST提供的DSP库,详细路径为:光盘8,STM32参考资料 1,STM32CubeF1固件包 STM32Cube_FW_F1_V1.8.0 DriversCMSISDSP,该文件夹下目录结构如图56.1.1.3所示。
图56.1.1.3 DSP目录结构
DSP源码包的Source文件夹是所有DSP库的源码,Examples文件夹是相对应的一些测试实例。这些测试实例都是带main函数的,也就是拿到工程中可以直接使用。接下来我们一一讲解一下Source源码文件夹下面的子文件夹包含的DSP库的功能。
BasicMathFunctions
基本数学函数:提供浮点数的各种基本运算函数,如向量加减乘除等运算。
CommonTables
arm_common_tables.c文件提供位翻转或相关参数表。arm_const_structs.c文件提供一些常用的常量结构体,方便用户使用。
ComplexMathFunctions
复数学功能,如向量处理,求模运算。
ControllerFunctions
控制功能函数。包括正弦余弦,PID电机控制,矢量Clarke变换,矢量Clarke逆变换。
FastMathFunctions
快速数学功能函数。提供了一种快速的近似正弦,余弦和平方根等相比CMSIS计算库要快的数学函数。
FilteringFunctions
滤波函数功能,主要为FIR和LMS(最小均方根)等滤波函数。
MatrixFunctions
矩阵处理函数。包括矩阵加法、矩阵初始化、矩阵反、矩阵乘法、矩阵规模、矩阵减法、矩阵转置等函数。
StatisticsFunctions
统计功能函数。如求平均值、最大值、最小值、计算均方根RMS、计算方差/标准差等。
SupportFunctions
支持功能函数,如数据拷贝,Q格式和浮点格式相互转换,Q任意格式相互转换。
TransformFunctions
变换功能。包括复数FFT(CFFT)/复数FFT逆运算(CIFFT)、实数FFT(RFFT)/实数FFT逆运算(RIFFT)、和DCT(离散余弦变换)和配套的初始化函数。
所有这些DSP库代码合在一起是比较多的,因此,ST为我们提了.lib格式的文件,方便使用。这些.lib文件就是由Source文件夹下的源码编译生成的,如果想看某个函数的源码,大家可以在Source文件夹下面查找。.lib格式文件HAL库包路径:DriversCMSISLibARM,针对M3的总共有2个.lib文件,如下:
① arm_cortexM3b_math.lib (Cortex-M3大端模式)
② arm_cortexM3l_math.lib (Cortex-M3小端模式)
我们得根据所用MCU内核类型以及端模式来选择符合要求的.lib文件,本章我们所用的STM32F1属于CortexM3内核,小端模式,应选择:
arm_cortexM3l_math.lib (Cortex-M7小端模式)。
对于DSP的子文件夹Examples下面存放的文件,是ST官方提供的一些DSP测试代码,提供简短的测试程序,方便上手,有兴趣的朋友可以根据需要自行测试。
56.1.2 DSP库运行环境搭建
本节我们将讲解怎么搭建DSP库运行环境,只要运行环境搭建好了,使用DSP库里面的函数来做相关处理就非常简单了。本节,我们将基于定时器实验,搭建DSP运行环境。
在MDK里面搭建STM32F103的DSP运行环境(使用.lib方式)是很简单的,分为3个步骤:
1、添加文件。
首先,我们在实验32_1 DSP BasicMath测试实验\Drivers\CMSIS目录下新建:DSP和Lib文件夹,然后把官方的相应文件拉到我们的工程的相应位置:arm_cortexM3l_math.lib和相关头文件,再把没用到的文件删除,如图56.1.2.1和图56.1.2.2所示:
图56.1.2.2 DSP文件夹添加文件
这个步骤具体请参考工程源码文件,arm_cortexM3l_math.lib文件在56.1.1节已经介绍过了。Include文件夹里面包含了我们可能要用到的相关头文件,所以要添加到工程中。
然后,打开工程,新建Drivers/CMSIS分组,并将arm_cortexM3l_math.lib添加到工程里面,如图56.1.2.3所示:
图56.1.2.3 添加.lib文件
这样,添加文件就结束了(就添加了一个.lib文件)。
2、添加头文件包含路径
添加好.lib文件后,我们要添加头文件包含路径,这个我们工程都统一添加好了,所以不用额外再操作,这里是提醒一下大家要添加头文件包含路径,如图56.1.2.4所示:
图56.1.2.4 添加相关头文件包含路径
3、添加全局宏定义
最后,为了使用DSP库的所有功能,我们还需要添加几个全局宏定义:
1,ARM_MATH_CM3
2,__CC_ARM
3,ARM_MATH_MATRIX_CHECK
4,ARM_MATH_ROUNDING
添加方法:点击C/C++选项卡,然后在Define里面进行设置,如图56.1.2.5所示:
图56.1.2.5 DSP库支持全局宏定义设置
在这里,所有的宏之间窦需要用英文格式下“,”进行隔开。在Define处要输入的所有宏为:STM32F103xE,USE_HAL_DRIVER,ARM_MATH_CM3,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING等共6个。
至此,STM32F103的DSP库运行环境就搭建完成了。
特别注意,为了方便调试,本章例程我们将MDK的优化设置为-O0优化,以得到最好的调试效果。
56.2 硬件设计
/**
* @brief sin cos 测试
* @param angle : 起始角度
* @param times : 运算次数
* @param mode : 是否使用DSP库
* @arg 0 , 不使用DSP库;
* @arg 1 , 使用DSP库;
*
* @retval 无
*/
uint8_t sin_cos_test(float angle, uint32_t times, uint8_t mode)
{
float sinx, cosx;
float result;
uint32_t i = 0;
if (mode == 0)
{
for (i = 0; i < times; i++)
{
cosx = cosf(angle); /* 不使用DSP优化的sin,cos函数 */
sinx = sinf(angle);
result = sinx * sinx + cosx * cosx;/* 计算结果应该等于1 */
result = fabsf(result - 1.0f); /* 对比与1的差值 */
if (result > DELTA)return 0XFF; /* 判断失败 */
angle += 0.001f; /* 角度自增 */
}
}
else
{
for (i = 0; i < times; i++)
{
cosx = arm_cos_f32(angle); /* 使用DSP优化的sin,cos函数 */
sinx = arm_sin_f32(angle);
result = sinx * sinx + cosx * cosx;/* 计算结果应该等于1 */
result = fabsf(result - 1.0f); /* 对比与1的差值 */
if (result > DELTA)return 0XFF; /* 判断失败 */
angle += 0.001f; /* 角度自增 */
}
}
return 0; /* 任务完成 */
}
uint8_t g_timeout;
int main(void)
{
float time;
char buf[50];
uint8_t res;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
btim_timx_int_init(65535, 7200 - 1); /* 10Khz计数频率,最大计时6.5秒超出 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DSP BasicMath TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30,110, 200, 16, 16, " No DSP runtime:", RED);/*显示提示信息*/
lcd_show_string(30,150,200,16,16, "Use DSP runtime:", RED);/* 显示提示信息 */
while (1)
{
/* 不使用DSP优化 */
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&timx_handler,0);/* 重设TIM3定时器的计数器值 */
g_timeout = 0;
res = sin_cos_test(PI / 6, 10000, 0);
time = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&timx_handler) +
(uint32_t)g_timeout * 65536;
sprintf(buf, "%0.1fms\r\n", time / 10);
if (res == 0)
{
lcd_show_string(30 + 16*8,110,100,16,16, buf, BLUE);/* 显示运行时间 */
}
else
{/* 显示当前运行情况 */
lcd_show_string(30 + 16*8,110,100,16,16,"error!",BLUE);
}
/* 使用DSP优化 */
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&timx_handler,0); /* 重设TIM3定时器的计数器值 */
g_timeout = 0;
res = sin_cos_test(PI / 6, 10000, 1);
time = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&timx_handler) +
(uint32_t)g_timeout * 65536;
sprintf(buf, "%0.1fms\r\n", time / 10);
if (res == 0)
{
lcd_show_string(30 + 16*8,150,100,16,16, buf, BLUE); /* 显示运行时间 */
}
else
{/* 显示错误 */
lcd_show_string(30 + 16 * 8, 150, 100, 16, 16, "error!", BLUE);
}
LED0_TOGGLE();
}
}
这里包括2个函数:sin_cos_test和main函数,sin_cos_test函数用于根据给定参数,执行sin(x)2+cos(x)2=1的计算。计算完后,计算结果同给定的误差值(DELTA)对比,如果不大于误差值,则认为计算成功,否则计算失败。该函数可以根据给定的模式参数(mode)来决定使用哪个基础数学函数执行运算,从而得出对比。
main函数则比较简单,这里我们通过定时器6来统计sin_cos_test运行时间,从而得出对比数据。主循环里面,每次循环都会两次调用sin_cos_test函数,首先采用不使用DSP库方式计算,然后采用使用DSP库方式计算,并得出两次计算的时间,显示在LCD上面。
DSP基础数学函数测试的程序设计就讲解到这里。
56.3.2 DSP FFT测试
这是我们使用STM32F103的DSP库进行FFT函数测试的一个例程。
首先,我们简单介绍下FFT:FFT即快速傅里叶变换,可以将一个时域信号变换到频域。因为有些信号在时域上是很难看出什么特征的,但是如果变换到频域之后,就很容易看出特征了,这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外,FFT可以将一个信号的频谱提取出来,这在频谱分析方面也是经常用的。简而言之,FFT就是将一个信号从时域变换到频域方便我们分析处理。
在实际应用中,一般的处理过程是先对一个信号在时域进行采集,比如我们通过ADC,按照一定大小采样频率F去采集信号,采集N个点,那么通过对这N个点进行FFT运算,就可以得到这个信号的频谱特性。
这里还涉及到一个采样定理的概念:在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率F大于信号中最高频率fmax的2倍时(F>2fmax),采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,采样定理又称奈奎斯特定理。举个简单的例子:比如我们正常人发声,频率范围一般在8KHz以内,那么我们要通过采样之后的数据来恢复声音,我们的采样频率必须为8KHz的2倍以上,也就是必须大于16KHz才行。
模拟信号经过ADC采样之后,就变成了数字信号,采样得到的数字信号,就可以做FFT变换了。N个采样点数据,在经过FFT之后,就可以得到N个点的FFT结果。为了方便进行FFT运算,通常N取2的整数次方。
假设采样频率为F,对一个信号采样,采样点数为N,那么FFT之后结果就是一个N点的复数,每一个点就对应着一个频率点(以基波频率为单位递增),这个点的模值(sqrt(实部2+虚部2))就是该频点频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢?假设原始信号的峰值为A,那么FFT的结果的每个点(除了第一个点直流分量之外)的模值就是A的N/2倍,而第一个点就是直流分量,它的模值就是直流分量的N倍。
这里还有个基波频率,也叫频率分辨率的概念,就是如果我们按照F的采样频率去采集一个信号,一共采集N个点,那么基波频率(频率分辨率)就是fk=F/N。这样,第n个点对应信号频率为:F(n-1)/N;其中n≥1,当n=1时为直流分量。
关于FFT我们就介绍到这。
如果我们要自己实现FFT算法,对于不懂数字信号处理的朋友来说,是比较难的,不过,ST提供的STM32F103 DSP库里面就有FFT函数给我们调用,因此我们只需要知道如何使用这些函数,就可以迅速的完成FFT计算,而不需要自己学习数字信号处理,去编写代码了,大大方便了我们的开发。
STM32F103的DSP库里面,提供了定点和浮点 FFT实现方式,并且有基4的也有基2的,大家可以根据需要自由选择实现方式。注意:对于基4的FFT输入点数必须是4n,而基2的FFT输入点数则必须是2n,并且基4的FFT算法要比基2的快。
本章我们将采用DSP库里面的基4浮点FFT算法来实现FFT变换,并计算每个点的模值,所用到的函数有:
/* Deprecated */
arm_status arm_cfft_radix4_init_f32(arm_cfft_radix4_instance_f32 * S,
uint16_t fftLen, uint8_t ifftFlag, uint8_t bitReverseFlag);
/* Deprecated */
void arm_cfft_radix4_f32(const arm_cfft_radix4_instance_f32 * S,
float32_t * pSrc);
/**
* @brief Floating-point complex magnitude
* @param[in] pSrc points to the complex input vector
* @param[out] pDst points to the real output vector
* @param[in] numSamples number of complex samples in the input vector
*/
void arm_cmplx_mag_f32(float32_t * pSrc, float32_t * pDst,uint32_t numSamples);
第一个函数arm_cfft_radix4_init_f32,用于初始化FFT运算相关参数,其中:fftLen用于指定FFT长度(16/64/256/1024/4096),本章设置为1024;ifftFlag用于指定是傅里叶变换(0)还是反傅里叶变换(1),本章设置为0;bitReverseFlag用于设置是否按位取反,本章设置为1;最后,所有这些参数存储在一个arm_cfft_radix4_instance_f32结构体指针S里面。
第二个函数arm_cfft_radix4_f32就是执行基4浮点FFT运算的,pSrc传入采集到的输入信号数据(实部+虚部形式),同时FFT变换后的数据,也按顺序存放在pSrc里面,pSrc必须大于等于2倍fftLen长度。另外,S结构体指针参数是先由arm_cfft_radix4_init_f32函数设置好,然后传入该函数的。
第三个函数arm_cmplx_mag_f32用于计算复数模值,可以对FFT变换后的结果数据,执行取模操作。pSrc为复数输入数组(大小为2*numSamples)指针,指向FFT变换后的结果;pDst为输出数组(大小为numSamples)指针,存储取模后的值;numSamples就是总共有多少个数据需要取模。
通过这三个函数,我们便可以完成FFT计算,并取模值。本节例程(实验32_2 DSP FFT测试实验)同样是在56.1.2节已经搭建好DSP库运行环境上面修改代码,只需要修改main.c里面的代码即可,本例程main.c代码如下:
/* FFT长度,默认是1024点FFT
* 可选范围为: 16, 64, 256, 1024.
*/
#define FFT_LENGTH 1024
float fft_inputbuf[FFT_LENGTH * 2]; /* FFT输入数组 */
float fft_outputbuf[FFT_LENGTH]; /* FFT输出数组 */
uint8_t g_timeout;
int main(void)
{
float time;
char buf[50];
arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;
uint8_t key, t = 0;
uint16_t i;
HAL_Init(); /*初始化HAL库*/
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
btim_timx_int_init(65535, 7200 - 1); /* 10Khz计数频率,最大计时6.5秒超出 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32F103", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DSP FFT TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "2020/4/5", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "KEY0:Run FFT", RED); /* 显示提示信息 */
lcd_show_string(30, 160, 200, 16, 16, "FFT runtime:", RED); /* 显示提示信息 */
/* 初始化scfft结构体,设定FFT相关参数 */
arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft, FFT_LENGTH, 0, 1);
while (1)
{
key = key_scan(0);
if (key == KEY0_PRES)
{
for (i = 0; i < FFT_LENGTH; i++) /* 生成信号序列 */
{
/* 生成输入信号实部 */
fft_inputbuf[2 * i] = 100 +
10 * arm_sin_f32(2 * PI * i / FFT_LENGTH) +
30 * arm_sin_f32(2 * PI * i * 4 / FFT_LENGTH) +
50 * arm_cos_f32(2 * PI * i * 8 / FFT_LENGTH);
fft_inputbuf[2 * i + 1] = 0; /* 虚部全部为0 */
}
BTIM_TIMX_INT->CNT = 0;; /* 重设BTIM_TIMX_INT定时器的计数器值 */
g_timeout = 0;
arm_cfft_radix4_f32(&scfft, fft_inputbuf); /* FFT计算(基4) */
time = BTIM_TIMX_INT->CNT + (uint32_t)g_timeout *65536;/*计算所用时间*/
sprintf((char *)buf, "%0.3fms\r\n", time / 1000);
/* 显示运行时间 */
lcd_show_string(30 + 12 * 8, 160, 100, 16, 16, buf, BLUE);
/* 把运算结果复数求模得幅值 */
arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf, fft_outputbuf, FFT_LENGTH);
printf("\r\n%d point FFT runtime:%0.3fms\r\n",FFT_LENGTH, time/1000);
printf("FFT Result:\r\n");
for (i = 0; i < FFT_LENGTH; i++)
{
printf("fft_outputbuf[%d]:%f\r\n", i, fft_outputbuf[i]);
}
}
else
{
delay_ms(10);
}
t++;
if ((t % 20) == 0)
{
LED0_TOGGLE();
}
}
}
以上代码只有一个main函数,里面通过我们前面介绍的三个函数:arm_cfft_radix4_init_f32、
arm_cfft_radix4_f32和arm_cmplx_mag_f32来执行FFT变换并取模值。每当按下KEY0就会重新生成一个输入信号序列,并执行一次FFT计算,将arm_cfft_radix4_f32所用时间统计出来,显示在LCD屏幕上面,同时将取模后的模值通过串口打印出来。
这里,我们在程序上生成了一个输入信号序列用于测试,输入信号序列表达式:
/* 生成输入信号实部 */
fft_inputbuf[2 * i] = 100 +
10 * arm_sin_f32(2 * PI * i / FFT_LENGTH) +
30 * arm_sin_f32(2 * PI * i * 4 / FFT_LENGTH) +
50 * arm_cos_f32(2 * PI * i * 8 / FFT_LENGTH);
通过该表达式我们可知,信号的直流分量为100,外加2个正弦信号和一个余弦信号,其幅值分别为10、30和50。
56.4 下载验证
将实验32_1 DSP BasicMath测试实验的程序下载到开发板后,可以在屏幕看到两种实现方式的速度差别,如图56.4.1所示:
图56.4.1 使用DSP库和不使用DSP库的基础数学函数速度对比
从图中可以看出,使用DSP库的基础数学函数计算所用时间比不使用DSP库的短,使用STM32F103的DSP库,速度上面比传统的实现方式提升了约23%。
对于实验32_2 DSP FFT测试实验,下载后,屏幕显示提示信息,然后我们按下KEY0就可以看到FFT运算所耗时间,如图56.4.2所示:
图56.4.2 FFT测试界面
可以看到,STM32F103采用基4法计算1024个浮点数的FFT,仅用了0.345ms,速度是非常的快。同时,可以在串口看到FFT变换取模后的各频点模值,如图56.4.3所示:
图56.4.3 FFT变换后个频点模值
查看所有数据,会发现:第0、1、4、8、1016、1020、1023这7个点的值比较大,其他点的值都很小,接下来我们就简单分析一下这些数据。
由于FFT变换后的结果具有对称性,所以,实际上有用的数据,只有前半部分,后半部分和前半部分是对称关系,比如1和1023,4和1020,8和1016等,就是对称关系,因此我们只需要分析前半部分数据即可。这样,就只有第0、1、4、8这四个点,比较大,重点分析。
假设我们采样频率为1024Hz,那么总共采集1024个点,频率分辨率就是1Hz,对应到频谱上面,两个点之间的间隔就是1Hz。因此,上面我们生成的三个叠加信号:10sin(2PIi/1024)+ 30sin(2PIi4/1024)+50cos(2PIi8/1024),频率分别是:1Hz、4Hz和8Hz。
对于上述4个值比较大的点,结合56.3.1节的知识,很容易分析得出:第0点,即直流分量,其FFT变换后的模值应该是原始信号幅值的N倍,N=1024,所以值是1001024=102400,与理论完全一样,然后其他点,模值应该是原始信号幅值的N/2倍,即10512、30512、50*512,而我们计算结果是:5119.950684、15359.999023、256000,同理论值非常接近。
DSP测试实验,我们就讲解到这里,DSP库的其他测试实例,大家可以自行研究下,我们这里就不再介绍了。