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基于STM32f3的FIR应用测试分析

2019-07-13 21:07发布

工具和简介
目的:利用MATLAB仿真软件系统结合窗函数法设计一个数字带通FIR滤波器。通过STM32F3的DSP模块实现移植应用,测试分析其运行效率等,并将其运行结果同MATLAB运行结果比较,分析其可靠性。
测试数据:声波笔捕捉帧数据(f:80KHz;fs:2.5MHz)并混合入高频和低频噪声。
测试MATLAB版本:R2008a;
测试单片机:STM32F303VCT6
    Keil版本:Keil uVision V5.10.0.2
    STM32CubeMx版本:uVision V4.16.0
STM32库版本:STM32Cube_FW_F3_V1.6.0
MCU工作频率:72MHz
内核设计
    如下图,运行MATLAB,在命令窗口输入fdatool,并回车启动fdatool。
MATLAB界面
Fdatool界面如下图所示,FDA Tool界面总共分两大部分,一部分是design filter,在界面的下半部,用来设置滤波器的设计参数,另一部分则是特性区,在界面的上半部分,用来显示滤波器的各种特性。design filter部分主要分为:
filter type(滤波器类型)选项,包括lowpass(低通)、highpass(高通)、bandpass(带通)、bandstop(带阻)和特殊的fir滤波器。 design method(设计方法)选项,包括iir滤波器的butterworth(巴特沃思)法、chebyshev type i(切比雪夫i型)法、 chebyshev type ii(切比雪夫ii型) 法、elliptic(椭圆滤波器)法和fir滤波器的equiripple法、least-squares(最小乘方)法、window(窗函数)法。 filter order(滤波器阶数)选项,定义滤波器的阶数,包括specify order(指定阶数)和minimum order(最小阶数)。在specify order中填入所要设计的滤波器的阶数(n阶滤波器,specify order=n-1),如果选择minimum order则matlab根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。 frenquency specifications选项,可以详细定义频带的各参数,包括采样频率fs和频带的截止频率。它的具体选项由filter type选项和design method选项决定,例如bandpass(带通)滤波器需要定义fstop1(下阻带截止频率)、fpass1(通带下限截止频率)、fpass2 (通带上限截止频率)、fstop2(上阻带截止频率),而lowpass(低通)滤波器只需要定义fstop1、fpass1。采用窗函数设计滤波器 时,由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的,所以只需要定义通带截止频率,而不必定义阻带参数。
magnitude specifications选项,可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤波器时,可以定义wstop1(频率fstop1处的幅值衰减)、wpass (通带范围内的幅值衰减)、wstop2(频率fstop2处的幅值衰减)。当采用窗函数设计时,通带截止频率处的幅值衰减固定为6db,所以不必定义。  
Fdatool界面
 本设计中,首先在filter type中选择bandpass(带通滤波器);
(1)在design method选项中选择fir window(fir滤波器窗函数法),接着在window specifications选项中选取hamming;
(2)指定filter order项中的specify order=100;
(3)由于采用窗函数法设计,只要给出通带下限截止频率fc1和通带上限截止频率fc2,选取fc1=79.999KHz,fc2=80.001 KHz。
(4)设置完以后点击design filter即可得到所设计的fir滤波器。
(5)通过菜单选项analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。设计完成后保存为“nh.fda”文件,并通过依次点击“File——Generate M-File”生成为M文件保存为“nh.m”,以便调用。
在设计过程中,可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求,随时调整参数和滤波器类型,以便得到最佳效果,并通过第5部保存和生成M文件。其它类型的fir滤波器和iir滤波器也都可以使用fdatool来设计。
通过Fdatool设计内核
 其幅频曲线如下。
幅频曲线
其相频特性如下
相频特性

 Matlab内核调用和测试


内核调用:在MATLAB中,按“Ctrl+N”新建M文件,编辑代码,本测试代码如下,具体见附件” fir3.m “。
测试代码
 第一行中,”clc“清空命令窗口,”close all“ 清空多余窗口,clear清空工作空间,
在导入输入信号中所导入的信号为声波笔捕捉帧数据(f:80KHz;fs:25MHz),从中选取一个通道数据。
所加高频噪声信号为200Khz,低频5Khz。
测试结果如下图所示
测试结果

  STM32移植内核


运用STM32CubeMX生成Keil工程,具体配置见“附件firTest1.4demo.ioc”,并用Keil打开所生成的工程“附件firTest1.4MDK-ARMdemo.uvprojx”,  
Keil工程
 如上图所示,在“附件firTest1.4Appapp.c”中,firCoeffs32常量为FIR滤波器内核,其来自MATLAB设计,运行测试文件” fir3.m “后,在工作空间中双击nucleus变量可在变量编辑器查看,在“附件firTest1.4Apparm_fir_data.c”中,a1常量为测试数据,其来自MATLAB设计中添加噪声后信号,运行测试文件” fir3.m “后,在工作空间中双击put变量可在变量编辑器查看。如下图所示。
内核和测试数据
 整个程序运行流程如下图所示  
STM32程序运行流程
 运行结果通过串口输出,如下图所示,运行结果6418us。
串口输出结果
 可通过发送“@IN#”、 “@OUT#”、 “@HE#”,分别获取输入测试波形、输出滤波结果、内核数据,再将其导入MATLAB生成波形同MATLAB结果比较。其结果如下图所示
Stm32执行结果MATLAB分析

下载

https://download.csdn.net/download/fxziyu/9806486