2021年03月16日 | 如何使用STM32提供的DSP库进行FFT

1.FFT运算效率

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4的FFT，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STM32DSP库使用文档。

图1FFT运算效率测试数据

由图1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。

2.如何使用STM32提供的DSP库函数

2.1下载STM32的DSP库

大家可以从网上搜索下载得到STM32的DSP库。

2.2添加DSP库到自己的工程项目中

下载得到STM32的DSP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.h和table_fft.h两个文件是必须添加的。stm32_dsp.h是STM32的DSP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。

2.3模拟采样数据

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20Hz到20KHz，所以我使用的采用频率是44800Hz。那么在进行256点FFT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STM32的DSP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 8 *******************************************************************/

 9 void InitBufInArray()

10 {

11     unsigned short i;

12     float fx;

13     for(i=0; i14     {

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256，PI2是2π（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350Hz，8400Hz和18725Hz。

2.4调用DSP库函数进行FFT

进行256点的FFT，只需要调用STM32DSP库函数中的cr4_fft_256_stm32()函数即可。该函数的原型为：

voidcr4_fft_256_stm32(void*pssOUT,void*pssIN,uint16_tNbin);

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。

2.5计算各次谐波幅值

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)

 6 作者:博客园 依旧淡然 7 *******************************************************************/

 8 void GetPowerMag()

 9 {

10     signed short lX,lY;

11     float X,Y,Mag;

12     unsigned short i;

13     for(i=0; i14     {

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         else

23             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