基於HAL庫的STM32的DSP庫詳解(附FFT應用)

1 . 創建工程，生成代碼時選擇包含全部庫。

 

2. 打開 option for target 選擇 Target 標籤，在code generatio中，將floating point hardware 選擇 USE Single Precision。

 

3.  打開 option for target 選擇 C/C++ 標籤

在define後添加：__TARGET_FPU_VFP,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,因爲使用HAL的庫，因此前面有USE_HAL_DRIVER,STM32F429xx的全局宏定義，若是使用的不是HAL庫，而是使用固件庫的話，通常會有固件庫的一個全局宏定義USE_STDPERIPH_DRIVER和STM32F4XXxx在裏面。因此當前只須要添加

__TARGET_FPU_VFP,

ARM_MATH_MATRIX_CHECK,

ARM_MATH_ROUNDING,

ARM_MATH_CM4,

__CC_ARM

注意中間用英文逗號分開。其中ARM_MATH_MATRIX_CHECK是庫函數的參數檢查開關。ARM_MATH_ROUNDING這個是庫函數在運算是是否開啓四捨五入的功能，能夠根據實際須要進行配置。ARM_MATH_CM4這個就很是重要，必需要配置進去，不然在編譯以後，會默認使用math.h的庫函數，而不會用到硬件的FPU的。__CC_ARM是不一樣編譯器的編譯配置宏定義，__CC_ARM就是表明MDK開發環境。

 4. 添加浮點庫(.lib)文件到工程(或者添加源碼庫文件)。

若是用的是 uv4，打開 C:\Keil\ARM\CMSIS\Lib\ARM 目錄，複製「arm_cortexM4lf_math.lib」文件到你的工程下，並加入工程。

若是用的是 uv5，打開 C:\Keil_v5\ARM\Pack\ARM\CMSIS\4.2.0\CMSIS\Lib\ARM 目錄，複製「arm_cortexM4lf_math.lib」文件到工程下，並加入工程，4.2.0是庫的版本，每一個版本可能不同。

也能夠從官方下載固件庫程序包中複製也行，  \STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib\Libraries\CMSIS\Lib\ARM

若是查看DSP庫的各個函數的原型，能夠添加源碼庫文件， 則當前工程目錄下的Drivers\CMSIS\DSP_Lib\Source目錄能夠查看，固然安裝目錄下也有該庫源文件。

BasicMathFunctions

基本數學函數：提供浮點數的各類基本運算函數，如向量加減乘除等運算。 

CommonTables

arm_common_tables.c文件提供位翻轉或相關參數表。

ComplexMathFunctions

複雜數學功能，如向量處理，求模運算的。

ControllerFunctions

控制功能函數。包括正弦餘弦，PID電機控制，矢量Clarke變換，矢量Clarke逆變換等。

FastMathFunctions

快速數學功能函數。提供了一種快速的近似正弦，餘弦和平方根等相比CMSIS計算庫要快的數學函數。

FilteringFunctions

濾波函數功能，主要爲FIR和LMS（最小均方根）等濾波函數。 

MatrixFunctions

矩陣處理函數。包括矩陣加法、矩陣初始化、矩陣反、矩陣乘法、矩陣規模、矩陣減法、矩陣轉置等函數。

StatisticsFunctions

統計功能函數。如求平均值、最大值、最小值、計算均方根RMS、計算方差/標準差等。

SupportFunctions

支持功能函數，如數據拷貝，Q格式和浮點格式相互轉換，Q任意格式相互轉換。

TransformFunctions

變換功能。包括複數FFT（CFFT）/複數FFT逆運算（CIFFT）、實數FFT（RFFT）/實數FFT逆運算（RIFFT）、和DCT（離散餘弦變換）和配套的初始化函數。

相關函數說明以及示例也可在安裝路徑Keil_v5\ARM\PACK\ARM\CMSIS\4.5.0\CMSIS\Documentation\DSP\html下得到，自行查閱。

5. DSP庫的FFT變換示例。

在工程的main.c文件中添加以下代碼

說明：採樣頻率爲1024Hz，fft點數爲1024點,則頻率分辨率，計算公式：分辨率=採樣頻率/採樣點數 = 1Hz，此時能看到0Hz,1Hz,2Hz,3Hz,.....512Hz的頻率份量。

FFTOutput這個數組中，下標0對應的元素就是0Hz(也就是直流份量)的幅度，下標1對應的就是1Hz的幅度，下標2對應2Hz的幅度......,依次類推。

此點很是重要，例如採樣率爲2048Hz,那麼頻率分辨率爲2Hz,那麼能看到0Hz,2Hz,4Hz,6Hz,.....1024Hz的頻率份量

FFTOutput這個數組中，下標0對應的元素就是0Hz(也就是直流份量)的幅度，下標1對應的就是2Hz的幅度，下標2對應4Hz的幅度......,依次類推。此時去看1Hz,3Hz，則會出現偏差比較大的狀況。

#include "arm_math.h"                  //添加頭文件
#define  FFT_LENGTH        1024        //FFT長度，默認是1024點FFT
#define  SAMPLE_FREQ       1024        //採樣頻率

float fft_inputbuf[FFT_LENGTH*2];      //FFT輸入輸出數組，此數組爲arm_cfft_radix4_f32的輸入輸出數組，前一個元素爲實部，後一個爲虛部，每兩個元素表明一個點.
float fft_outputbuf[FFT_LENGTH];    //arm_cmplx_mag_f32()幅度輸出數組
arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft; //fft變換的初始化參數

在主函數進入while(1)以前添加以下代碼

說明：arm_sin_f32函數生成採樣點，採樣信號爲DC信號，100Hz，150Hz信號的疊加，此時分辨率爲1Hz，恰好可以看到DC， 100Hz，150Hz頻率份量的幅度，分別對應fft幅度輸出數組的下標0,100,150

arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化scfft結構體，設定FFT相關參數
for(int i=0;i<FFT_LENGTH;i++)//生成信號序列
{
 fft_inputbuf[2*i]=15 + 10*arm_sin_f32(2*PI*i*100/SAMPLE_FREQ) + \
 5.5*arm_sin_f32(2*PI*i*150/SAMPLE_FREQ); //生成實部 
 fft_inputbuf[2*i+1]=0;//虛部所有爲0
}
arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf); //FFT計算（基4（即fft長度22*n），FFT長度只能爲64，256，1024，4096目前測試過這幾個長度,）
arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH); //把運算結果複數求模得幅值

DC份量值爲15360.001,則對應的直流份量爲15360.001/FFT點數 = 15360.001/1024=15

100Hz份量值爲5119.99658,則對應的100Hz幅度爲5119.99658*2/FFT點數 = 5119.99658*2/1024=10

150Hz份量值爲2815.99976,則對應的150Hz幅度爲2815.99976*2/FFT點數 = 2815.99976*2/1024=5.5

其他的頻率的幅度近似爲0。

若要查看某一頻率份量的實部與虛部，則能夠查看fft_inputbuf數組。下標對應乘以2,由於實部和虛部存在。

當把採樣頻率改成2048Hz，生成信號頻率其中一路改成151Hz,讀者能夠自行測試該頻率份量的幅度，確定會存在偏差。