STM32使用FFT简要步骤

inthsunshine · 发表于 2024-2-23 11:35:42

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本帖最后由 inthsunshine 于 2024-2-23 19:49 编辑

其实教程网上都有，结合我自己的实践，尽量简化写一下

首先芯片要带硬件浮点FPU,也就是M4核心或者M7核心，STM32F3,F4,F7,H7,F2,H5...等等这些都可以

然后在keil mdk上开启FPU, 可以修改宏定义_FPU_USED=1，更简单的办法是在mdk菜单里开启，点击魔术棒图标(Options forTarget…)里的"Target"选项卡，右边的"Code Generation"下的“Floating Point Hardware”下拉菜单可以开启(一般是单精度,M7核心的型号支持双精度)

程序上需要包含头文件
#include "arm_math.h"
添加DSP库文件arm_cortexM4lf_math.lib(M4核心, M7核心就加对应的库文件)到工程里

至此准备工作已完成，接下来是怎么调用dsp库的函数

在头文件里宏定义采样点数量
#define  NPT    512
先定义一个实例
arm_rfft_fast_instance_f32 S1;
然后对其初始化
arm_rfft_fast_init_f32(&S1,NPT);

一般我们是用ADC的结果或者从tf里读取数据做FFT运算，所以我们调用实数FFT函数就行
当然，需要先定义存放数据的数组
float FFTin[NPT], FFTout[NPT], FFTmag[NPT/2]; //放在C文件的前面
其中FFTin是输入数据，NPT个采样点
FFTout是运算后的输出数据，因为实数FFT后变成复数，每个频点按实部，虚部顺序存放，占用2个元素，但后一半是空的，函数不计算减少计算量(频谱对称)，数组长度还是NPT
如果采样频率是fs,采样点数NPT, 那么频率分辨率则是fs/NPT, 所以FFTout的频率是从0(直流分量)开始，fs/NPT, 2*fs/NPT,一直到(NPT/2-1)*fs/NPT, 一共NPT/2个频点。
FFTmag存放FFT结果的模值(实部和虚部平方和的开方)，因为FFT结果是对称的，有用的数据只要取前半部就可以,它的长度是NPT/2

调用实数FFT函数
arm_rfft_fast_f32(&S1,FFTin,FFTout,0);    //参数表的最后一个0,指执行傅里叶正变换，逆变换是1
计算各频点的模值，
arm_cmplx_mag_f32(FFTout,FFTmag,NPT);
至此FFTmag存放各频点的模值，也就是幅度值，如果需要相位值(初相)，也可以计算，就是arctan(虚部/实部)
不过此时的幅度值，和输入信号的频率分量并不对应，需要再转换，具体是
如果频率=0(直流成分), 幅值需要除以NPT, 其它频率需要除以NPT/2
这样计算出来就是输入信号对应频率的振幅，保持一致，之后可以用来分析或者显示，就根据自己需要了

当然为了验证运算的正确性，可以简单编写一个测试小程序，输入数据就用计算方法得到，然后执行FFT,再根据最后计算结果和输入信号对比，正确说明ok
  for (j=0;j<NPT;j++)
{FFTin[j]=500+1000*arm_sin_f32(2*PI*50/2560*j+2*PI*30/360)+2000*arm_sin_f32(2*PI*200/2560*j+2*PI*78/360);} //构建一个包含直流的多个单频信号的组合信号
  arm_rfft_fast_f32(&S1,FFTin,FFTout,0);
  arm_cmplx_mag_f32(FFTout,FFTmag,NPT);
  for (j=1;j<NPT/2;j++)
   {FFTmag[j]/=(float)(NPT/2);}
  FFTmag[0]/=(float)NPT;

我们构建的函数是f=500+1000sin(2π*50*t+30°)+2000sin(2π*200*t+78°),频率分别是50Hz和200Hz
采样频率2560Hz, NPT=512, 频率分辨率=2560/512=5Hz, 也就是频率间距为5Hz,运算结果

FFTmag[0]就是直流成分，50Hz对应FFTmag[10], 200Hz对应FFTmag[40], 计算结果和输入信号基本一致。

最后放一个tf卡的音频频谱显示demo视频：
PS: 奇怪我电脑放不出下面的视频，链接在这里 https://www.bilibili.com/video/BV1Ly421872U/

STM32的频谱显示DEMO.mp4 (6.63 MB, 下载次数: 0)