stm32 基于CubeMX的DSP库FFT函数封装 V2.0

一、序言

由于在电赛的测量题中FFT的应用十分广泛，每次调库的过程都十分繁琐。为了避免重复操作，实现功能更多，调库更方便，我重构了调用DSP库FFT的代码。本次重构更稳定地实现了更多的功能。

需要注意的是，本次封装只支持官方DSP库的单片机。例程中使用的是stm32F407ZGT6。

二、说明

1.功能说明

支持的FFT点数有：16点，32点，64点，128点，256点，512点，1024点，2048点，4096点。
支持多通道的FFT。
能通过对ADC采样数据的FFT运算得出以下数据：
- 各频率的幅值（单位：V）
- 基频幅值（单位V）
- 基频大小（单位：Hz）
- 各频率的相位（弧度制）
- 直流分量（单位V）
可以在运行中途改变FFT的采样率、FFT点数。当频率范围很宽时，可以直接调整FFT点数。
UserFFT函数会对目标信号进行三次FFT，分别计算频率、幅值、THD。可以针对不同的需求加不同的窗函数。

2.定义说明

FFT通道结构体

typedef struct FFTchannel
{
    u32     adc_buf[NPT_max];       //ADC采样进来的数据
    float   input[NPT_max * 2];     //fft运算的输入数组
    float   Amp[NPT_max];           //幅值，单位V
    float   phase_f;                //基频相位，弧度制
    float   f;                      //频率，单位Hz
    float   vp;                     //基频幅值，单位V
    float   dc;                     //直流分量，单位V
    float   THD_array[10];          //计算THD的数组，最多计算10次谐波
    float   THD;                    //谐波失真度
    float   ifft[NPT_max * 2];      //进行逆傅里叶变换的数组，是FFT(&ch, 'f')函数的频谱（复数）
}FFTchannel;

窗的种类

typedef enum WinType//定义窗的种类
{
    None = 0,//不加窗，即矩形窗
    Hanning_win,//汉宁窗（能处理大部分的问题）
    Hamming_win,//汉明窗
    Flattop_win,//平顶窗（算基频幅值很准）
    Kaiser_win//凯泽窗（算THD很准）
}WinType;

FFT初始化

/*
 *FFT初始化函数
 *NPT_init：FFT点数（地址传参）
 *Fs_init：采样率（地址传参）
 *adc_bit_init：ADC位数，12位就传入12
 *adc_max_init：ADC满量程（单位V）
 *THD_max_init：计算THD（谐波失真度）时的谐波次数，最大是10
 *注：
 *计算THD时的谐波次数不仅与你设置的这个THD_max有关，还与你设置的采样率有关
 *要保证FFT后的频谱中能找到那个谐波。采样率过低可能就找不到高次谐波
 *找不到高次谐波的话，我的处理方案就是只计算能采到的谐波，不会导致出错，但肯定有误差
 */
void FFT_Init(int* NPT_init, float* Fs_init, int adc_bit_init, float adc_max_init, int THD_max_init);

封装完成的FFT函数

/*
 *用户的FFT函数
 *参数只需要传入做FFT的通道就行
 *如果想要加窗，通过SetWindow()函数来设置窗函数
 *默认窗函数是矩形窗（不加窗）
 */
void UserFFT(FFTchannel* ch);

设置窗函数

/*
 *设置FFT运算的窗函数
 *f_win_set：计算基频频率的窗函数
 *vp_win_set：计算基频幅值的窗函数
 *thd_win_set：计算THD（谐波失真度）的窗函数
 *支持的窗函数类型：None, Hanning_win, Hamming_win, Flattop_win, Kaiser_win
 */
void SetWindow(WinType f_win_set, WinType vp_win_set, WinType thd_win_set);

逆FFT函数
1
2
3
4
5
/* *用户的逆傅里叶变换函数 *进行逆傅里叶变换的是通道中的ifft数组 */ void UserIFFT(FFTchannel* ch, float* out);
说明：这里进行逆傅里叶变换的数组是通道中的ifft数组。这个数组的值是这个通道的adc_buf进行FFT计算频率时得到的频谱（也就是UserFFT函数中第一次FFT所得出的频谱）。想要对频谱操作的话直接对这个ifft数组操作，然后再变换回去，就得到了波形。

其他定义

1	`#define NPT_max 1024 //最大FFT点数，如果你RAM足够大，可以改成4096`

3.文件说明

&emsp;本次封装一共包含三个文件

FFT.h
包含通道结构体的定义，窗类型的定义。
FFT.c
封装了FFT函数，加窗函数。
Kaiser.h
封装了1024点，2048点，4096点的凯泽窗。凯泽窗的运算复杂度较高，用stm32生成很慢，所以我提前生成好了。

三、调用步骤

在Keil中添加路径和文件

魔法棒中添加宏:

ARM_MATH_CM4,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING,__FPU_PRESENT=1U

魔法棒中添加路径:

..\Drivers\CMSIS\DSP\Include

左侧文件栏中Drivers/CMSIS中添加文件:

..\Drivers\CMSIS\Lib\arm_cortexM4lf_math.lib

引用头文件
1
#include "FFT.h"

定义一个通道

1	`FFTchannel ch1//定义了一个FFT的通道`

FFT初始化

1 2	`FFT_Init(&NPT, &Fs, 12, 3.3f, 5);//FFT初始化 SetWindow(None, Flattop_win, None);//设置窗函数`

开启ADC采样

1
2
3

//开启ADC采样
//ch1.adc_buf即为DMA搬运的存储数组
 HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, ch1.adc_buf, NPT);

FFT运算
1
UserFFT(&ch1);//调用了FFT函数

将结果打印

send[0] = ch1.f;//基频频率(Hz)
send[1] = ch1.vp;//基频幅值(V)
send[2] = ch1.dc;//直流分量(V)
My_printf(&huart1, "f:{.1}Hz, vp:{.3}V, dc:{.3}V{e}", send);//串口，我自己定义的，不必在意

四、补充

若有两个通道要进行FFT，例如要进行求相位差等操作时，实例化两个结构体即可。

#include "FFT.h"

FFTchannel ch1, ch2;
...//省去FFT的过程
phase_dif = ch1.phase_f - ch2.phase_f;

像AD7606这种的，实例化8个通道就行了。是有点多，RAM不够有可能溢出

五、最后想说的

我写这个FFT函数的封装的目的是为了造福大伙，更方便地使用FFT。对于这个封装还有任何建议的，也欢迎指出，我以后也有可能会更新一些内容。更详细的应用可以到例程中去看，我初步用我的stm32F407检验起来，是没有大问题的。