STM32的DSP库的应用

前些天理解了fft变换的理论和对其工程应用进行了实例分析，详见我的名为《C语言实现fft理论基础与工程应用的实例分析》的博客，用C语言编写的fft算法比较容易看懂，但带来的缺点就是执行效率低，对于要求实时操作（例如电机控制）的反应速度不够灵敏。本篇内容将简要分析STM32自带的DSP库文件，其用汇编语言编写，代码执行效率明显优于C语言，ST公司封装好了了库文件，我们不必看懂其汇编代码，只要会调用接口函数即可。

1,代码分析

首先我们需要在一个已经建立好的工程文件里添加如下编译路径：

工程需要添加的文件如下图：

为了产生fft变换信号，我们可以自己产生个采样信号：使用三角函数生成采样点，供FFT计算，fx = 4000 * sin(PI2*i*50.0/Fs) + 4000 * sin(PI2*i*2500.0/Fs) + 4000*sin(PI2*i*2550.0/Fs)。

模拟采样数据,采样数据中包含3种频率正弦波：50Hz，2500Hz，2550Hz， lBUFIN数组中，每个单元数据高字(高16位)中存储采样数据的实部，低字(低16位)存储采样数据的虚部(总是为0)。

其中dsp_asm_init()函数的作用是产生采样信号，实际工程应用中我们使用的是ADC采样的处理值。dsp_asm_test()函数的作用是进行FFT变换，并计算各次谐波幅值。具体代码参见下面：

  1 /*
  2 *********************************************************************************************************
  3 *                                     MICIRUM BOARD SUPPORT PACKAGE
  4 *
  5 *                             (c) Copyright 2007; Micrium, Inc.; Weston, FL
  6 *
  7 *               All rights reserved.  Protected by international copyright laws.
  8 *               Knowledge of the source code may NOT be used to develop a similar product.
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 11 *********************************************************************************************************
 12 */
 13 
 14 /*
 15 *********************************************************************************************************
 16 *
 17 *                                        BOARD SUPPORT PACKAGE
 18 *
 19 *                                     ST Microelectronics STM32
 20 *                                              with the
 21 *                                   STM3210B-EVAL Evaluation Board
 22 *
 23 * Filename      : bsp.c
 24 * Version       : V1.00
 25 * Programmer(s) : Brian Nagel
 26 *********************************************************************************************************
 27 */
 28 
 29 /*
 30 *********************************************************************************************************
 31 *                                             INCLUDE FILES
 32 *********************************************************************************************************
 33 */
 34 
 35 #define  DSP_ASM
 36 #include "stm32f10x.h"
 37 #include "dsp_asm.h"
 38 #include "stm32_dsp.h"
 39 #include "table_fft.h"
 40 #include <stdio.h>
 41 #include <math.h>
 42 
 43 
 44 /*
 45 *********************************************************************************************************
 46 *                                           LOCAL CONSTANTS
 47 *********************************************************************************************************
 48 */
 49 #define PI2 6.28318530717959
 50 #define NPT_1024 1024
 51 //#define NPT_256 256
 52 //#define NPT_1024 1024
 53 
 54 // N=64,Fs/N=50Hz,Max(Valid)=1600Hz
 55 #ifdef NPT_64
 56 #define NPT 64
 57 #define Fs  3200
 58 #endif
 59 
 60 // N=256,Fs/N=25Hz,Max(Valid)=3200Hz
 61 #ifdef NPT_256
 62 #define NPT 256
 63 #define Fs  6400
 64 #endif
 65 
 66 // N=1024,Fs/N=5Hz,Max(Valid)=2560Hz
 67 #ifdef NPT_1024
 68 #define NPT 1024
 69 #define Fs  5120
 70 #endif
 71 
 72 
 73 /*
 74 *********************************************************************************************************
 75 *                                          LOCAL DATA TYPES
 76 *********************************************************************************************************
 77 */
 78 
 79 
 80 /*
 81 *********************************************************************************************************
 82 *                                            LOCAL TABLES
 83 *********************************************************************************************************
 84 */
 85 
 86 
 87 /*
 88 *********************************************************************************************************
 89 *                                       LOCAL GLOBAL VARIABLES
 90 *********************************************************************************************************
 91 */
 92 long lBUFIN[NPT];         /* Complex input vector */
 93 long lBUFOUT[NPT];        /* Complex output vector */
 94 long lBUFMAG[NPT];/* Magnitude vector */
 95 /*
 96 *********************************************************************************************************
 97 *                                      LOCAL FUNCTION PROTOTYPES
 98 *********************************************************************************************************
 99 */
100 void dsp_asm_powerMag(void);
101 
102 /*
103 *********************************************************************************************************
104 *                                     LOCAL CONFIGURATION ERRORS
105 *********************************************************************************************************
106 */
107 
108 
109 /*
110 ******************************************************************************************************************************
111 ******************************************************************************************************************************
112 **                                         Global Functions
113 ******************************************************************************************************************************
114 ******************************************************************************************************************************
115 */
116 
117 void  dsp_asm_init()
118 {
119   u16 i=0;
120   float fx;
121   for(i=0;i<NPT;i++)
122   {
123     fx  = 4000 * sin(PI2*i*50.0/Fs) + 4000 * sin(PI2*i*2500.0/Fs) + 4000*sin(PI2*i*2550.0/Fs);
124     lBUFIN[i] = ((long)fx)<<16;
125   }
126 }
127 
128 void  dsp_asm_test() 
129 {
130 
131 #ifdef NPT_64
132   cr4_fft_64_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);
133 #endif
134 
135 #ifdef NPT_256
136   cr4_fft_256_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);
137 #endif
138 
139 #ifdef NPT_1024
140   cr4_fft_1024_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);
141 #endif
142 
143   // 计算幅值
144   dsp_asm_powerMag();
145   
146 }
147 
148 void dsp_asm_powerMag(void)
149 {
150   s16 lX,lY;
151   u32 i;
152   for(i=0;i<NPT/2;i++)
153   {
154     lX  = (lBUFOUT[i] << 16) >> 16;
155     lY  = (lBUFOUT[i] >> 16);
156     {
157     float X    = NPT * ((float)lX) /32768;
158     float Y    = NPT * ((float)lY) /32768;
159     float Mag = sqrt(X*X + Y*Y)/NPT;
160     lBUFMAG[i]    = (u32)(Mag * 65536);
161     }
162   }
163 }

dsp_asm.c

 1 /*
 2 *********************************************************************************************************
 3 *                                     MICIRUM BOARD SUPPORT PACKAGE
 4 *
 5 *                             (c) Copyright 2007; Micrium, Inc.; Weston, FL
 6 *
 7 *               All rights reserved.  Protected by international copyright laws.
 8 *               Knowledge of the source code may NOT be used to develop a similar product.
 9 *               Please help us continue to provide the Embedded community with the finest
10 *               software available.  Your honesty is greatly appreciated.
11 *********************************************************************************************************
12 */
13 
14 /*
15 *********************************************************************************************************
16 *
17 *                                        BOARD SUPPORT PACKAGE
18 *
19 *                                     ST Microelectronics STM32
20 *                                              with the
21 *                                   STM3210B-EVAL Evaluation Board
22 *
23 * Filename      : bsp.h
24 * Version       : V1.00
25 * Programmer(s) : Brian Nagel
26 *********************************************************************************************************
27 */
28 
29 #ifndef  __DSP_ASM_H__
30 #define  __DSP_ASM_H__
31 
32 /*
33 *********************************************************************************************************
34 *                                               EXTERNS
35 *********************************************************************************************************
36 */
37 
38 #ifdef   DSP_ASM
39 #define  DSP_EXT
40 #else
41 #define  DSP_EXT  extern
42 #endif
43 
44 /*
45 *********************************************************************************************************
46 *                                             INCLUDE FILES
47 *********************************************************************************************************
48 */
49 
50 
51 
52 
53 /*
54 *********************************************************************************************************
55 *                                          GLOBAL VARIABLES
56 *********************************************************************************************************
57 */
58 
59 
60 /*
61 *********************************************************************************************************
62 *                                               MACRO'S
63 *********************************************************************************************************
64 */
65 
66 
67 /*
68 *********************************************************************************************************
69 *                                            FUNCTION PROTOTYPES
70 *********************************************************************************************************
71 */
72 
73 void    dsp_asm_test(void);
74 void  dsp_asm_init(void);
75 
76 #endif                                                          /* End of module include.                               */

dsp_asm.h

     着重分析下dsp_asm_powerMag()函数的作用，其函数就是求幅值，首先定义的的一个16位的有符号的数据IX 和IY 这两个只是中间变量，然后定义的i，是32位的无符号型。语句的目的是Mag = sqrt(X*X + Y*Y)/NPT。但直接这么写不符合DSP的计算习惯也就是不符合浮点运算的习惯。因此语句在for函数i写道 lX = (lBUFOUT[i] << 16) >> 16 就是取32位的i的低16位数据，lY = (lBUFOUT[i] >> 16);是取高16位数据。下面的两句
    float X    = NPT * ((float)lX) /32768;
    float Y    = NPT * ((float)lY) /32768
    目的就是把数据浮点化，至于为什么是除以32768 。可以这么说，浮点化就好像10进制里面的科学计数法。32768=2的15次。除以32768也就是去除了浮点数后面的那个基数，只剩下前面的。比如1991 改写成1.991*10的三次幂，再除以10的三次方，只剩下1.991，便于余下的运算。至于最后一句要乘以65536是因为我们定义的数据和我们需要求得的数据都是无符号32位的，之前已经把32位的数据拆开又分别浮点化了又开了个根号，所以再把它变回来只需要乘以2的16次，也就是65536.比如说问你什么时候生日，你说是19911030，然而DSP是不习惯这么干的，他需要把它拆开为1991和1030。再写成1.991x10的3次方和1.030x10的3次方。然后才能进行其他的运算。
     这里是ST公司采用了DSP专用芯片（主要是指TI）的写法，也就是说尽管DSP的芯片类型很多，数据变量的定义也各有差异，但原理是一样的，最终还是要采用DSP习惯的运算方式。至于为什么一定要采用浮点运算，因为机器是傻子，然而TI公司的工程师是天才。

main函数中我们只需在while（1）前加上dsp_asm_init(); dsp_asm_test();即可。
2，实验现象

注意FFT运算结果的对称性，也即256点的运算结果，只有前面128点的数据是有效可用的。

① N=64,Fs/N=50Hz,Max(Valid)=1600Hz，64点FFt，采样率3200Hz,频率分辨率50Hz，测量最大有效频率1600Hz

64点FFT运算结果图（局部）：

上图中，数组下标X对应的谐波频率为：N×Fs/64=N×3200/64=N*50Hz.

lBUFMAG[1] 对应 50Hz谐波幅值。

上图中由于FFT分辨率50HZ，最大只能识别1600Hz谐波，导致结果中出现错误的数据。

②N=256,Fs/N=25Hz,Max(Valid)=3200Hz，256点FFt，采样率6400Hz,频率分辨率25Hz，测量最大有效频率3200Hz
256点FFT运算结果图（局部）：

上图中，数组下标X对应的谐波频率为：N×Fs/256=N×6400/256=N*25Hz.

lBUFMAG[2] 对应 2×25 =50Hz谐波幅值

lBUFMAG[100] 对应 100×25=2500Hz谐波幅值

lBUFMAG[102] 对应 102×25=2550Hz谐波幅值

③N=1024,Fs/N=5Hz,Max(Valid)=2560Hz，1024点FFt，采样率5120Hz,频率分辨率5Hz，测量最大有效频率2560Hz

1024点FFT运算结果图（局部）：

上图中，数组下标X对应的谐波频率为：N×Fs/1024=N×5120/1024=N*5Hz.

lBUFMAG[10] 对应 10×5 =50Hz谐波幅值

lBUFMAG[500] 对应 500×5=2500Hz谐波幅值

lBUFMAG[510] 对应 510×5=2550Hz谐波幅值

总结：该工程中模拟信号源为：4000 * sin(PI2*i*50.0/Fs) + 4000 * sin(PI2*i*2500.0/Fs) + 4000*sin(PI2*i*2550.0/Fs)。

信号为1个50Hz、1个2500Hz、1个2550Hz的正弦波混合信号，幅值为均为4000。

3，工程源码下载地址

LL STM32-DSP-fft.rar
115网盘礼包码：5lbdd57l2hkq
http://115.com/lb/5lbdd57l2hkq

posted @ 2014-10-26 22:45 轱轳轩辕阅读(10098) 评论(0) 编辑收藏举报

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