基于STM32的DSP库的FFT变换

2016-12-03 12:27:47来源:CSDN作者:helenie人点击

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4FFT,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。

 由图可见,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

可以在我的资源里面下载得到STM32DSP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.htable_fft.h两个文件是必须添加的。stm32_dsp.hSTM32DSP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。

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20Hz20KHz,所以我使用的采用频率是44800Hz。那么在进行256FFT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STM32DSP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<NPT; i++)14     {15         fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +16              2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +17              4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);18         lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;19     }20 }

其中,NPT是采样点数256PI22π(即6.28318530717959),Fs是采样频率44800。可以看到采样数据中包含了3种频率的正弦波,分别为350Hz8400Hz18725Hz

  进行256点的FFT,只需要调用STM32 DSP库函数中的cr4_fft_256_stm32()函数即可。该函数的原型为:

  void cr4_fft_256_stm32(void *pssOUT, void *pssIN, uint16_t Nbin);

  其中,参数pssOUT表示FFT输出数组指针,参数pssIN表示要进行FFT运算的输入数组指针,参数Nbin表示了点数。至于该函数的具体实现,因为是用汇编语言编写的,我也不懂,这里就不妄谈了。

  下面是具体的调用实例:

  cr4_fft_256_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT);

  其中,参数lBufOutArray同样是一个long类型的数组,参数lBufInArray就是存放模拟采样数据的采样数组,NPT为采样点数256

  调用该函数之后,在lBufOutArray数组中就存放了进行FFT运算之后的结果数据。该数组中每个元素的数据格式为;高16位存储虚部,低16位存储实部。

  得到FFT运算之后的结果数据之后,就可以计算各次谐波的幅值了。

  下面是具体的实现代码

 1 /****************************************************************** 2 函数名称:GetPowerMag() 3 函数功能:计算各次谐波幅值 4 参数说明: 5 备  注:先将lBufOutArray分解成实部(X)和虚部(Y),然后计算幅值(sqrt(X*X+Y*Y) 7 *******************************************************************/ 8 void GetPowerMag() 9 {10     signed short lX,lY;11     float X,Y,Mag;12     unsigned short i;13     for(i=0; i<NPT/2; i++)14     {15         lX  = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;16         lY  = (lBufOutArray[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         else23             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

  由以上的实验数据,我们可以看出,在频率为350Hz8400Hz18725Hz时,幅值出现峰值,分别为149226963996,这与我们所预期的结果正好相符。




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