如何使用STM32F4的DSP库

Posted 2023-05-10

参考技术A 我们平常所使用的CPU为定点CPU，意思是进行整点数值运算的CPU。当遇到形如1.1+1.1的
浮点数
运算时，定点CPU就遇到大难题了。对于32位单片机，利用Q化处理能发挥他本身的性能，但是精度和速度仍然不会提高很多。
现在设计出了一个新的CPU，叫做FPU，这个芯片专门处理浮点数的运算，这样处理器就将整点数和浮点数分开来处理，整点数交由定点CPU处理而浮点数交由FPU处理。我们见到过TI的DSP，还有
STM32F4
系列的带有DSP功能的
微控制器
。前者笔者没有用过，不作评论，而后者如果需要用到FPU的
浮点运算
功能，必须要进行一些必要的设置。
首先，由于浮点运算在FPU中进行，所以首先应该
使能
FPU运行。在system_init()中，定义__FPU_PRESENT和__FPU_USED
/*
FPU
settings
------
------------------------------------------------------*/
#if
(__FPU_PRESENT
==
1)&&
(__FPU_USED
==
1)
SCB->CPACR
|=
((3UL<<
10*2)|(3UL
<<
11*2));
/*set
CP10
and
CP11
Full
Access
*/
#endif
这样就使能了FPU。
对于上述改变，当程序中出现这种简单的
加减乘除运算
FPU就起作用了。但是对于复杂的如三角运算、
开方
运算等，我们就需要加入math.h
头文件
。但是如果单纯的加入他，那么Keil会自动调用内部的math.h，该头文件是针对
ARM处理器
的，专门用于定点CPU和标准算法（IEEE-754）。对于使用了FPU的STM32F4是没有任何作用的。所以，需要将math.h换成ST的库，即arm_math.h。在该头文件中，涉及到另一个文件core_cmx.h（x=0、3、4），当然了，如同STM32F1系列一样，在工程中加入core_cm4.h即可。
到这里，算是全部设置完毕，之差最后一步，调用！但是别小看了这一步，因为如果调用的不正确，全面的设置就白费了。在使用
三角函数
如sin()、cos()时不要直接写如上形式，因为他们函数的名字来自于math.h，所以你调用的仍旧是Keil库中的标准math.h。要使用arm_math.h中的arm_sin_f32()函数（见Line.5780，
原函数
见DSP_Lib\Source\FastMathFunctions），可以看到他利用的是
三次样条插值法
快速
求值
（见Line.263
/*
Cubic
interpolation
process
*/）。
注意一下例外函数，sqrt()，在arm_math.h中为arm_sqrt_f32()。使用他的时候需要同时开启#if(__FPU_USED
==
1)
&&
defined
(
__CC_ARM
)才行，切记！还可以发现开方函数还有q15和q31之分，我想他们的区别就是精度的问题，但是他们没有应用FPU来计算，说白了就是利用0x5f3759df这个数进行快速开方，大家如果对这个数很陌生，查阅
http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_inverse_square_root
。不过他的处理可能有些不同。

STM32F4使用FPU+DSP库进行FFT运算的测试过程

测试环境：单片机：STM32F407ZGT6   IDE：Keil5.20.0.0  固件库版本：STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0

第一部分：使用源码文件的方式，使用void arm_cfft_radix4_f32(const arm_cfft_radix4_instance_f32 * S,float32_t * pSrc)函数进行FFT运算。

准备空工程，配置Keil环境.使能STM32F4的FPU单元。

开启硬件浮点运算，等效于在C/C++->define中定义__FPU_USED,__FPU_PRESENT两个宏

添加全局宏定义，使能DSP库所有的功能

图中STM32F4XX,USE_STDPERIPH_DRIVER是新建工程都会用到的配置宏，新建工程参考：http://blog.csdn.net/qianrushi_jinxifeng/article/details/19673755

其他宏ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING 请参考：http://blog.csdn.net/desert187/article/details/20527921

向工程中添加使用到的DSP库源码

在stm32f4_dsp_stdperiph_lib\\STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0\\Libraries\\CMSIS\\DSP_Lib\\Source目录下会有如下目录，都是DSP函数库

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。
ComplexMathFunctions
复杂数学功能，如向量处理，求模运算的。
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逆变换等。
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。

我们需要CommonTables和TransformFunctions的下的部分文件
添加到工程如图

另外我们需要包含相应的头文件路径，所需的头文件在STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0\\Libraries\\CMSIS\\Include路径下可以找到

编写main()函数,

 1 #include "stm32f4xx_conf.h"
 2 //位带操作
 3 #include "sys.h"
 4 #include "delay.h"
 5 #include "usart.h"
 6 //LCD显示屏功能
 7 #include "Nick_lcd.h"
 8 #include "Nick_keys.h"
 9 
10 #include "arm_math.h"
11 #define FFT_LENGTH        1024         //FFT长度，默认是1024点FFT
12 
13 float fft_inputbuf[FFT_LENGTH*2];    //FFT输入输出数组，此数组为arm_cfft_radix4_f32的输入输出数组，前一个元素为实部，后一个为虚部，每两个元素代表一个点.
14 float fft_outputbuf[FFT_LENGTH];     //arm_cmplx_mag_f32() 幅度输出数组
15 arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;
16 
17 int main(void)
18 { 
19     delay_init(168);
20     lcd_init(0);    //初始化LCD
21     key_init();
22     uart_init(115200);        //初始化串口波特率为115200
23     
24     arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化scfft结构体，设定FFT相关参数
25     
26     while(1)
27     {
28         u32 keyval = (u32)keys_scan(0);
29         if(keyval==1)
30         {
31             for(int i=0;i<FFT_LENGTH;i++)//生成信号序列
32             {
33                  fft_inputbuf[2*i]=15 + 10*arm_sin_f32(2*PI*i*100/FFT_LENGTH) + \\
34                                    5.5*arm_sin_f32(2*PI*i*150/FFT_LENGTH); //生成实部
35                 
36                  fft_inputbuf[2*i+1]=0;//虚部全部为0
37             }
38             arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf);    //FFT计算（基4）
39             arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH);    //把运算结果复数求模得幅值 
40             
41             printf("FFT Result:\\r\\n");
42             for(int i=0;i<FFT_LENGTH;i++)
43             {
44                 printf("%f\\r\\n",fft_outputbuf[i]);
45             }
46         }
47         delay_ms(60);
48     }
49 }

代码分析:如代码所示，利用arm_sin_f32函数产生了，一个基波幅度为15,频率100Hz是幅度为10，频率150Hz是幅度为5.5的信号。

经过FFT运算后，用arm_cmplx_mag_f32（）函数求出赋值，并通过串口打印出来。

编译运行

结果分析：

对串口收到的数据用matlab绘图,如下

如图，基波幅度为：15360/1024 = 15

100Hz成分幅度为： 5120*2/1024 = 10

150Hz成分幅度为： 2816*2/1024 = 5.5

因此所得的结果是正确的。博主目前为测试相位，故在此不做说明。

 

后记，这是使用源码的方式进行操作的，所有源码可跳转，可编辑。但添加麻烦。

下一篇将使用ST提供的.lib库直接进行运算。链接：http://www.cnblogs.com/NickQ/p/8541156.html