CKS32F4xx系列DSP功能

CKS32F4xx系列使用高性能的32位內(nèi)核,支持浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），同時(shí)還支持DSP指令以及存儲(chǔ)保護(hù)（MPU）用來(lái)加強(qiáng)應(yīng)用的安全性。

DSP介紹

CKS32F4xx系列擁有兩個(gè)DSP指令：MAC指令（32位乘法累加）和SIMD指令。32位乘法累加（MAC）單元包括新的指令集，能夠在單周期內(nèi)完成一個(gè)32×32+64→64的操作或兩個(gè)16×16的操作。而SIMD指令與硬件乘法器一起工作（MAC），使所有這些指令都能在單個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。受益于SIMD指令的支持，CKS32F4xx系列能在單周期內(nèi)完成高達(dá)32×32+64→64的運(yùn)算，為其他任務(wù)釋放處理器的帶寬，而不是被乘法和加法消耗運(yùn)算資源。

DSP源碼庫(kù)具有以下功能：

BasicMathFunctions

提供浮點(diǎn)數(shù)的各種基本運(yùn)算函數(shù)，如向量加減乘除等運(yùn)算。

CommonTables

arm_common_tables.c文件提供位翻轉(zhuǎn)或相關(guān)參數(shù)表。

ComplexMathFunctions

復(fù)雜數(shù)學(xué)功能，如向量處理，求模運(yùn)算的。

ControllerFunctions

控制功能函數(shù)。包括正弦余弦，PID電機(jī)控制，矢量Clarke變換，矢量Clarke逆變換等。

FastMathFunctions

快速數(shù)學(xué)功能函數(shù)。提供了一種快速的近似正弦，余弦和平方根等，相比CMSIS計(jì)算庫(kù)要快的數(shù)學(xué)函數(shù)。

FilteringFunctions

濾波函數(shù)功能，主要為FIR和LMS（最小均方根）等濾波函數(shù)。

MatrixFunctions

矩陣處理函數(shù)。包括矩陣加法、矩陣初始化、矩陣反、矩陣乘法、矩陣規(guī)模、矩陣減法、矩陣轉(zhuǎn)置等函數(shù)。

StatisticsFunctions

統(tǒng)計(jì)功能函數(shù)。如求平均值、最大值、最小值、計(jì)算均方根RMS、計(jì)算方差/標(biāo)準(zhǔn)差等。

SupportFunctions

支持功能函數(shù)，如數(shù)據(jù)拷貝，Q格式和浮點(diǎn)格式相互轉(zhuǎn)換，Q任意格式相互轉(zhuǎn)換。

TransformFunctions

變換功能。包括復(fù)數(shù)FFT（CFFT）/復(fù)數(shù)FFT逆運(yùn)算（CIFFT）、實(shí)數(shù)FFT（RFFT）/實(shí)數(shù)FFT逆運(yùn)算（RIFFT）、和DCT（離散余弦變換）和配套的初始化函數(shù)。

DSP庫(kù)運(yùn)行環(huán)境搭建

接下來(lái)我們講解如何搭建DSP庫(kù)運(yùn)行環(huán)境，只要運(yùn)行環(huán)境搭建好了，使用DSP庫(kù)里面的函數(shù)來(lái)做相關(guān)處理就非常簡(jiǎn)單了。在MDK里面搭建CKS32F4xx系列的DSP運(yùn)行環(huán)境(使用.lib方式)是很簡(jiǎn)單的，分為3個(gè)步驟：

1

添加文件

首先，我們?cè)诶坦こ棠夸浵滦陆―SP_LIB文件夾，存放我們將要添加的相關(guān)文件，如圖1所示：



然后，打開(kāi)工程，新建DSP_LIB分組，并將.lib文件添加到工程里面，如圖2所示：

2

添加頭文件包含路徑

添加好.lib文件后，我們要添加頭文件包含路徑，將第一步拷貝的Include文件夾和DSP_LIB文件夾加入頭文件包含路徑，如圖3所示：

3

添加全局宏定義

最后，為了使用DSP庫(kù)的所有功能，我們還需要添加幾個(gè)全局宏定義：

1，__FPU_USED

2，__FPU_PRESENT

3，ARM_MATH_CM4

4，__CC_ARM

5，ARM_MATH_MATRIX_CHECK

6，ARM_MATH_ROUNDING

添加方法：點(diǎn)擊魔法棒→C/C++選項(xiàng)卡，然后在Define里面進(jìn)行設(shè)置，如圖4所示：



這里，兩個(gè)宏之間用“,”隔開(kāi)。并且，上面的全局宏里面，我們沒(méi)有添加__FPU_USED，因?yàn)檫@個(gè)宏定義在Target選項(xiàng)卡設(shè)置Code Generation的時(shí)候選擇了：Use FPU（如果沒(méi)有設(shè)置Use FPU，則必須設(shè)置！！），故MDK會(huì)自動(dòng)添加這個(gè)全局宏，因此不需要我們手動(dòng)添加了。這樣，在Define處要輸入的所有宏為：

CKS32F40_41xxx,USE_STDPERIPH_DRIVER,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING 共6個(gè)。

至此，CKS32F4xx系列的DSP庫(kù)運(yùn)行環(huán)境就搭建完成了。為了方便調(diào)試，本章例程我們將MDK的優(yōu)化設(shè)置為-O0優(yōu)化，以得到最好的調(diào)試效果。

DSP FFT測(cè)試

關(guān)于FFT這里就不再詳細(xì)介紹。如果我們要自己實(shí)現(xiàn)FFT算法，對(duì)于不懂數(shù)字信號(hào)處理的人來(lái)說(shuō)，是比較難的，不過(guò)，DSP庫(kù)里面就有FFT函數(shù)給我們調(diào)用，因此我們只需要知道如何使用這些函數(shù)，就可以迅速的完成FFT計(jì)算。DSP庫(kù)里面提供了定點(diǎn)和浮點(diǎn) FFT 實(shí)現(xiàn)方式，并且有基4的也有基2的，大家可以根據(jù)需要自由選擇實(shí)現(xiàn)方式。

注意：對(duì)于基4的FFT輸入點(diǎn)數(shù)必須是4n，而基2的FFT 輸入點(diǎn)數(shù)則必須是2n，并且基4的FFT算法要比基2的快。本章我們將采用DSP庫(kù)里面的基4浮點(diǎn)FFT算法來(lái)實(shí)現(xiàn)FFT變換，并計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的模值，所用到的函數(shù)有：

FFT變換用到的函數(shù)

arm_status arm_cfft_radix4_init_f32( arm_cfft_radix4_instance_f32 * S, uint16_t fftLen,uint8_t ifftFlag,uint8_t bitReverseFlag)

void arm_cfft_radix4_f32(const arm_cfft_radix4_instance_f32 * S,float32_t * pSrc)

void arm_cmplx_mag_f32(float32_t * pSrc,float32_t * pDst,uint32_t numSamples)

arm_cfft_radix4_init_f32用于初始化FFT運(yùn)算相關(guān)參數(shù)，其中：fftLen用于指定 FFT長(zhǎng)度（16/64/256/1024/4096），本章設(shè)置為1024；ifftFlag用于指定是傅里葉變換(0)還是反傅里葉變換(1)，本章設(shè)置為0；bitReverseFlag用于設(shè)置是否按位取反，本章設(shè)置為1；最后，所有這些參數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè) arm_cfft_radix4_instance_f32結(jié)構(gòu)體指針S里面。

arm_cfft_radix4_f32就是執(zhí)行基4浮點(diǎn)FFT運(yùn)算的，pSrc傳入采集到的輸入信號(hào)數(shù)據(jù)（實(shí)部+虛部形式），同時(shí)FFT變換后的數(shù)據(jù)，也按順序存放在pSrc里面，pSrc必須大于等于 2倍fftLen長(zhǎng)度。另外，S結(jié)構(gòu)體指針參數(shù)是先由arm_cfft_radix4_init_f32函數(shù)設(shè)置好，然后傳入該函數(shù)的。

arm_cmplx_mag_f32用于計(jì)算復(fù)數(shù)模值，可以對(duì)FFT變換后的結(jié)果數(shù)據(jù)，執(zhí)行取模操作。pSrc為復(fù)數(shù)輸入數(shù)組（大小為 2*numSamples）指針，指向FFT變換后的結(jié)果；pDst 為輸出數(shù)組（大小為 numSamples）指針，存儲(chǔ)取模后的值；numSamples就是總共有多少個(gè)數(shù)據(jù)需要取模。

通過(guò)這三個(gè)函數(shù)，我們便可以完成 FFT 計(jì)算，并取模值。

主函數(shù)

int main(void)

{

arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;

float time;

u8 buf[50];

u16 i;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設(shè)置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)分組2

delay_init(168); //初始化延時(shí)函數(shù)

Debug_USART_Config(); //初始化串口波特率為115200

TIM3_Int_Init(65535,84-1); //1Mhz計(jì)數(shù)頻率,最大計(jì)時(shí)65ms左右超出

arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化scfft結(jié)構(gòu)體，設(shè)定FFT相關(guān)參數(shù)

while(1)

{

for(i=0;i

{

fft_inputbuf[2*i]=100+10*arm_sin_f32(2*PI*i/FFT_LENGTH)+30*arm_sin_f32(2*PI*i*4/FFT_LENGTH)+50*arm_cos_f32(2*PI*i*8/FFT_LENGTH); //生成輸入信號(hào)實(shí)部

fft_inputbuf[2*i+1]=0;//虛部全部為0

}

TIM_SetCounter(TIM3,0);//重設(shè)TIM3定時(shí)器的計(jì)數(shù)器值

timeout=0;

arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf); //FFT計(jì)算（基4）

time=TIM_GetCounter(TIM3)+(u32)timeout*65536;

sprintf((char*)buf,"%0.3fms ",time/1000);

printf(" FFT基4運(yùn)算運(yùn)行時(shí)間為： %s", buf);

arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH);

printf(" %d point FFT runtime:%0.3fms ",FFT_LENGTH,time/1000);

printf("FFT Result: ");

for(i=0;i

{

printf("fft_outputbuf[%d]:%f ",i,fft_outputbuf[i]);

}

delay_ms(2000);

delay_ms(2000);

delay_ms(2000);

}

}

主函數(shù)里面通過(guò)我們前面介紹的三個(gè)函數(shù)：arm_cfft_radix4_init_f32、 arm_cfft_radix4_f32和arm_cmplx_mag_f32來(lái)執(zhí)行FFT變換并取模值。每隔6秒就會(huì)重新生成一個(gè)輸入信號(hào)序列，并執(zhí)行一次FFT計(jì)算，將 arm_cfft_radix4_f32 所用時(shí)間統(tǒng)計(jì)出來(lái)，同時(shí)將取模后的模值通過(guò)串口打印出來(lái)。

審核編輯：劉清