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【STM32】使用STM32提供的DSP库进行FFT（附详细代码）

发布时间 2023-07-21 09:00:28作者: SymPny

最近，因为项目需要在STM32F103系列处理器上，对采集的音频信号进行FFT运算，然而STM32F103毕竟不是STM32F4系列的处理器，对于一般的FFT运算程序还是比较缓慢的。

幸亏官方提供了针对FFT的官方库，但是去官网找了半天居然找不到那个库的下载，好像官方早就把那个库下架了，估计是为了给带DSP指令集的F4系列让路。然后就只好从别人的项目中把这个官方库给扒出来了……

下载地址：https://pan.baidu.com/s/1GiUJgEkQxDAk79iddXKsaA 提取码: dn2d

FFT的意义

对于很多人来说，采样频率和FFT点数之间的关系可能还是不太清楚。下面就来简单分析一下：

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。比如，需要采集音频信号，并且需要被观察到的音频频率的频率范围是20Hz到20KHz，那么使用的采样频率就必须大于40kHz。如果需要观察到的音频频率范围为0Hz到600Hz，那么使用的采样频率只需要大于1200Hz即可。

而FFT点数与采样频率之间有什么关系呢？本质上并没有什么关系，但是FFT点数的大小直接关系到频率分辨率。怎么来说呢？

假设采样频率为Fs，信号频率F，采样点数为N。那么FFT之后结果就是一个为N点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。同时，FFT后的N个点，开始的那个点表示直流分量（即0Hz），而最后的那个点的再下一个点表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。即，某点n所表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N。这就表示，Fs/N就是频率分辨率。

不太理解的，可以查看博客：FFT后的物理意义。

FFT官方库的使用条件

  • FFT官方库在使用上并不灵活：属于基4的FFT，即FFT点数必须是4^n。也就是说，如果要做512点或2048点的FFT，那么对不起，没法使用官方库了；
  • FFT官方库的输入输出是等长的，即256点的FFT输入也必须是256点，如果你的输入小于这个长度，是没有任何性能提升的。

FFT官方库的使用

准备工作

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，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。

另外，对于**.s文件可以有选择的添加**（用到那个添加那个即可）。由于本文只用到了256点的FFT，所以这里只添加了cr4_fft_256_stm32.s文件。

FFT函数说明

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);

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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。

需要说明的是：按照FFT官方库的说明，pssOUT和pssIN都必须是32位的数据类型，其中高16位存储实部，低16位存储虚部。对于pssIN来说，低16位存储的虚部总是为0。

代码实例

假设ADC采样的声音数据为adc_buf[NPT]，FFT运算的输入数组为lBufInArray[NPT]。由于FFT计算出来的数据是对称的，因此通常而言输出数组取一半的数据，为lBufOutArray[NPT/2]。除此之外，还定义各次谐波幅值lBufMagArray[NPT/2]。即：

#define NPT 256

uint32_t adc_buf[NPT]={0};

long lBufInArray[NPT];

long lBufOutArray[NPT/2];

long lBufMagArray[NPT/2];


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调用FFT官方库的代码为：

//填充数组
for(i=0;i<NPT;i++)
	//这里因为单片机的ADC只能测正的电压 所以需要前级加直流偏执
	//加入直流偏执后，需要在软件上减去2048即一半，达到负半周期测量的目的（需要根据具体情况来进行配置）
	lBufInArray[i] = ((signed short)(adc_buf[i]-2048)) << 16;

cr4_fft_256_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT);


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同时，计算各次谐波幅值的函数为：

void GetPowerMag()
{
    signed short lX,lY;
    float X,Y,Mag;
    unsigned short i;
    for(i=0; i<NPT/2; i++)
    {
        lX  = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
        lY  = (lBufOutArray[i] >> 16);

    <span class="token comment">//除以32768再乘65536是为了符合浮点数计算规律</span>
    X <span class="token operator">=</span> NPT <span class="token operator">*</span> <span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token keyword">float</span><span class="token punctuation">)</span>lX<span class="token punctuation">)</span> <span class="token operator">/</span> <span class="token number">32768</span><span class="token punctuation">;</span>
    Y <span class="token operator">=</span> NPT <span class="token operator">*</span> <span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token keyword">float</span><span class="token punctuation">)</span>lY<span class="token punctuation">)</span> <span class="token operator">/</span> <span class="token number">32768</span><span class="token punctuation">;</span>
    Mag <span class="token operator">=</span> <span class="token function">sqrt</span><span class="token punctuation">(</span>X <span class="token operator">*</span> X <span class="token operator">+</span> Y <span class="token operator">*</span> Y<span class="token punctuation">)</span> <span class="token operator">/</span> NPT<span class="token punctuation">;</span>
    <span class="token keyword">if</span><span class="token punctuation">(</span>i <span class="token operator">==</span> <span class="token number">0</span><span class="token punctuation">)</span>
        lBufMagArray<span class="token punctuation">[</span>i<span class="token punctuation">]</span> <span class="token operator">=</span> <span class="token punctuation">(</span><span class="token keyword">unsigned</span> <span class="token keyword">long</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">(</span>Mag <span class="token operator">*</span> <span class="token number">32768</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span>
    <span class="token keyword">else</span>
        lBufMagArray<span class="token punctuation">[</span>i<span class="token punctuation">]</span> <span class="token operator">=</span> <span class="token punctuation">(</span><span class="token keyword">unsigned</span> <span class="token keyword">long</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">(</span>Mag <span class="token operator">*</span> <span class="token number">65536</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span>
<span class="token punctuation">}</span>



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