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原文地址https://mp.weixin.qq.com/s/cu2Fs8stKb3DQFbUZZkn4A
概述
AT32F4xx使用的是ARM Cortex®-M4F内核。ARM Cortex®-M4F是带有FPU内核处理器是一款32位的RISC处理器，具有优异的代码效率，采用通常8位和16位器件的存储器空间即可发挥ARM内核的高性能。该处理器支持一组DSP指令，能够实现有效的信号处理和复杂的算法执行。其单精度FPU(浮点单元)通过使用元语言开发工具，可加速开发，防止饱和。 本文重点介绍基于AT32 MCU的DSP指令相关库函数及其简单应用示例，主要内容有：- ARM Cortex®-M4F内核
- ARM官方CMSIS DSP库概述
- CMSIS DSP库移植到AT32
- 常用示例展示
- CMSIS NN with DSP
注意：本文是基于AT32F403A的硬件条件，若使用者需要在AT32其他型号上使用，请修改相应配置即可。
AT32 MCU与M4F内核
AT32F403A系列与所有的ARM工具和软件兼容。这些丰富的外设配置，使得AT32系列微控制器适合于多种应用场合：− 手持云台− 微型打印机− 条形码扫描枪− 读卡器− 灯光控制− 智能家居应用− 物联网传感器节点− 双CAN应用(OBD-II)− 光电编码器− 充电桩/BMS− 机器人控制− 电力控制− BLDC/PMSM电机控制− 变频器− 伺服电机控制
系统架构
AT32F403A系列微控制器包括ARM® CortexTM-M4F处理器内核、总线架构、外设以及存储器构成。CortexTM-M4F处理器是一种新时代的内核，拥有许多先进功能。对比于CortexTM-M3，CortexTM-M4F处理器支持增强的高效DSP指令集，包含扩展的单周期16/32位乘法累加器MAC、双16位MAC指令、优化的8/16位SIMD运算及饱和运算指令，并且具有单精度IEEE-754浮点运算单元FPU。当设计中使用带DSP功能的CortexTM-M4F时就能格外节能，比软件解决方案更快，使CortexTM-M4F适用于那些要求微控制器提供高效能与低功耗的产品市场。2) Cortex-M4与Cortex-M3的区别 3) 部分DSP指令的介绍 注意：上面所有的指令操作在CM4处理器上都只需一个指令周期。 4) Cortex-M4 DSP指令比较 5) 编译器对DSP指令的支持 6) AT32F403A系统架构 注意：AT32F403A不支持EMAC，AT32F407/407A支持EMAC
ARM官方CMSIS DSP库概述
CMSIS DSP库说明
CMSIS DSP软件库,是针对使用Cortex-M内核芯片提供一套数字信号处理函数。CMSIS DSP库大部分函数都是支持f32，Q31，Q15和Q7四种格式的。该库分为以下几个功能： - 基本数学函数Basic math functions
- 快速数学函数Fast math functions
- 复数型数学函数Complex math functions
- 滤波器函数Filters
- 矩阵型函数Matrix functions
- 数学变换型函数Transform functions
- 电机控制函数Motor control functions
- 统计型数学函数Statistical functions
- 支持型数学Support functions
- 插补型数学函数Interpolation functions
针对以上每一种类型的库函数，下文会有详细介绍其使用方法和使用示例。
CMSIS DSP库文件
考虑到方便用户使用，ARM官方已编译好Cortex-M各型号的.lib库文件，并放置于Lib文件夹。与AT32F4xx相关的.Lib库文件主要有以下两种 - arm_cortexM4lf_math.lib (Cortex-M4, Little endian, Floating Point Unit) for AT32F403 and AT32F413
- arm_cortexM4l_math.lib (Cortex-M4, Little endian) for AT32F415
DSP库函数的声明位域头文件arm_math.h中，用户只要简单地将该头文件和.lib文件添加到自己的工程中，即可呼叫DSP库函数。该头文件对于浮点运算单元（FPU）的变量同样适用。
CMSIS DSP库示例
该CMSIS DSP库中的多个示例可以很好地展现DSP库函数的使用。
CMSIS DSP库的工具链支持
该DSP库已经可以在5.14版本MDK上开发和测试过。另外针对GCC编译器和IAR IDE，已经支持。
编译生成DSP的.lib库文件
该DSP安装包中已包含一个基于MDK的工程，通过编译该工程可生成需要的.lib库文件。该MDK工程位于CMSIS\DSP\Projects\ARM文件夹中。工程名为 通过打开并编译该arm_cortexM_math.uvprojx MDK工程，可以生成该DSP的.lib库文件。这样用户就可以根据特定的内核，特定的优化选择去编译特定DSP的.lib库文件。同时，通过该MDK工程，用户也可以查看与修改指定的库函数原型，便于了解库函数的实现原理。
CMSIS-DSP文件夹结构
以下表格展现了CMSIS-DSP文件夹结构
CMSIS DSP库移植到AT32
本文主要介绍DSP库在MDK上的移植方法。
ARM官方CMSIS DSP函数详解
- 基本数学函数Basic math functions
- 快速数学函数Fast math functions
- 复数型数学函数Complex math functions
- 滤波器函数Filters
- 矩阵型函数Matrix functions
- 数学变换型函数Transform functions
- 电机控制函数Motor control functions
- 统计型数学函数Statistical functions
- 支持型数学Support functions
- 插补型数学函数Interpolation functions
详细使用方法和使用案例请参考1) ARM官网DSP培训资料地址：http://www.keil.com/pack/doc/CMSIS_Dev/DSP/html/index.html
AT32 DSP库快速使用
硬件资源1) 指示灯LED2/LED3/LED42) USART1(PA9/PA10)3) AT-START-F403A V1.0实验板
注：该DSP demo是基于AT32F403A的硬件条件，若使用者需要在AT32其他型号上使用，请修改相应配置即可。
软件资源1) Libraries - drivers AT32底层驱动库
- cmsis CMSIS DSP库和CMSIS NN库
2) Project\AT_START_F403A- examples，本文使用到的示例，如5_1_arm_class_marks_example，“5_1”表示章节，“arm_class_marks_example”表示示例名称
- templates，基于.lib建立的DSP template工程
3) Doca) AN0036_DSP_Instruction_and_Library_on_AT32_ZH_V2.x.x.pdf
DSP demo使用1) 打开AT32_DSP_DEMO_2.x.x\project\at_start_xxx\templates，编译后下载到实验板2) 观察LED2/LED3/LED4，若依次翻转则表明程序有正确执行DSP函数。
常用示例展示
本节主要通过使用前面介绍的DSP库函数进行案列展示，展示的示例如下：- 班级成绩统计示例
- 卷积示例
- 点积示例
- 频率仓示例
- 低通滤波示例
- 图形音频均衡器示例
- 线性插值示例
- 矩阵示例
- 信号收敛示例
- 正弦余弦示例
- 方差示例
- 卷积网络神经示例
班级成绩统计示例
描述:演示使用最大，最小，均值，标准差，方差和矩阵函数来统计一个班级的成绩。注意：此示例还演示了静态初始化的用法。变量说明：- testMarks_f32：指向20名学生在4门学科中获得的分数
- max_marks：最高分成绩
- min_marks：最低分成绩
- mean：所有成绩的平均分
- var：所有成绩的方差
- std：标准差
- numStudents：学生总数
使用到DSP软件库的函数有：- arm_mat_init_f32()
- arm_mat_mult_f32()
- arm_max_f32()
- arm_min_f32()
- arm_mean_f32()
- arm_std_f32()
- arm_var_f32()
参考 AT32_DSP_DEMO\project\at_start_f403a\examples\5_1_arm_class_marks_example
卷积示例
描述：本示例主要展示基于复数 FFT、复数乘法与支持函数的卷积理论。算法: 卷积理论指出，时域中的卷积对应频域中的乘法。因此，两个信号的卷积后的傅里叶变换等于他们各自的傅里叶变换的乘积。使用快速傅里叶变换（FFT）可以有效的评估信号的傅里叶变换。两个输入信号a[n]和b[n]填充为零，n1和n2分别对应其信号长度。因此他们的长度将变为N，N大于或等于n1+n2-1。由于采用基4变换，因此基数为4。a[n]和b[n]的卷积是通过对输入信号进行FFT变换，对联更新好进行傅里叶变换。并对相乘后的结果进行逆FFT变换来获得的。由以下公式表示： A[k]=FFT(a[n],N)B[k]=FFT(b[n],N)conv(a[n], b[n])=IFFT(A[k]*B[k], N)其中A[k]和B[k]分别是信号a[n]和b[n]的N点FFT。卷积长度为n1+n2-1框图：
变量说明 - testInputA_f32：指向第一个输入序列
- srcALen： 第一个输入时序的长度
- testInputB_f32：指向第二个输入序列
- srcBLen：第二个输入时序的长度
- outLen：卷积输出序列的长度，(srcALen+srcBLen-1)
- AxB：指向FFT乘积后输出数组地址
使用到DSP软件库的函数有：- arm_fill_f32()
- arm_copy_f32()
- arm_cfft_radix4_init_f32()
- arm_cfft_radix4_f32()
- arm_cmplx_mult_cmplx_f32()
参考 AT32_DSP_DEMO\project\at_start_f403a\examples\5_2_arm_convolution_example
点积示例
描述:本示例主要展示如何使用相乘和相加来实现点积。两个向量的点积是通过将对应元素相乘并相加来获得的。算法: 将长度为n的两个输入向量A和B诸个元素相乘，然后相加以获得点积。由以下公式表示： dotProduct=A[0]*B[0]+A[1]*B[1]+...+A[n-1]*B[n-1]框图： 变量描述： - srcA_buf_f32：指向第一个输入向量
- srcB_buf_f32：指向第二个输入向量
- testOutput：存储两个向量的点积
使用到DSP软件库的函数有：- arm_mult_f32()
- arm_add_f32()
参考AT32_DSP_DEMO\project\at_start_f403a\examples\5_3_arm_dotproduct_example
频率仓示例
描述：该示例主要展示使用复数FFT，复数幅值和最大值函数在输入信号的频域中计算最大能量仓。算法： 输入测试信号为一个10 kHz信号，该信号具有均匀分布的白噪声。通过计算输入信号的FFT计算可以得到与10 kHz输入频率相对应的最大能量仓。框图： 图8展示了具有均匀分布白噪声的10 kHz信号的时域信号，图9展示了这个输入信号的对应的频域信号，其中出现最高点的数对应的频率即为10 kHz信号能量仓。 图8. 输入信号的频域
输入信号的频域变量描述- testInput_f32_10khz：指向输入数据
- testOutput：指向输出数据
- fftSize l：FFT的长度
- ifftFlag flag：用于选择 CFFT/CIFFT
- doBitReverse Flag：用于选择是顺序还是逆序
- refIndex：参考索引值，在该值处能量最大
- testIndex：计算出的索引值，在该值处能量最大
使用到DSP软件库的函数有：- arm_cfft_f32()
- arm_cmplx_mag_f32()
- arm_max_f32()
参考AT32_DSP_DEMO\project\at_start_f403a\examples\5_4_arm_fft_bin_example
FIR低通滤波示例
描述：使用FIR低通滤波器从输入中去除高频信号部分。本示例展示了如何配置FIR滤波，然后以块方式传递数据
算法: 输入信号时两个正弦波的叠加：1 kHz and 15 kHz.该信号将被截止频率为6 kHz的进行低通滤波。低通滤波器滤掉了15 kHz信号，仅留下1 kHz信号输出。低通滤波器采用MATLAB设计，采样率为48 kHz，长度为29点。生成滤波器的MATLAB代码如下：h=fir1(28, 6/24);第一个参数是过滤器的“顺序”，并且总是比所需长度小1,。第二个参数是归一化截止频率。范围是0（DC）到1.0（Nyquist）。24 kHz奈奎斯特频率的6kHz截止频率为6/24=0.25归一化频率。CMSIS FIR滤波器函数要求系数按时间倒序排列。所得滤波器系数如下图所示。需要注意的是，该滤波器是对称的（线性相位FIR滤波器的属性）。对称点是样本14，对于所有频率，该滤波器具有14个样本的延迟
接下来显示滤波器的响应。滤波器的带通增益为1.0，截止频率为6kHz时达到0.5。 输入信号如下所示。左侧显示时域信号，右侧显示频域。可以清楚的看到两个正弦波分量。 滤波器输出如下所示，15kHz分量已被消除。 变量描述： - testInput_f32_1kHz_15kHz：指向输入数据
- refOutput points to the reference output data：指向参考输出数据
- testOutput points to the test output data：指向测试输出数据
- firStateF32 points to state buffer：指向状态缓冲区
- firCoeffs32 points to coefficient buffer：指向系数缓冲区
- blockSize number of samples processed at a time：一次处理的样本数
- numBlocks number of frames：帧数
使用到DSP软件库的函数有： - arm_fir_init_f32()
- arm_fir_f32()
参考 AT32_DSP_DEMO\project\at_start_f403a\examples\5_5_arm_fir_example
图形音频均衡器示例
描述：本示例展示了如何使用Biquad级联函数构造5频段图形均衡器。在音频应用中使用图形均衡器来改变音频的音质。框图： 该设计是基于五级滤波器的级
每个滤波器部分均为40阶，由两个Biquad级联组成。每个滤波器的标称为0 dB（线性单位为1.0）并对特定频率范围内的信号进行增强或截止。5个频率段之间的边缘频率为100、500、2000和6000 Hz。每个频段都有一个可调的增强或消减范围，范围为+/- 9 dB。列如，从500到2000 Hz的频宽具有如下所示响应： 图15. 从200Hz到2KHz的频宽响应
以1 dB为步长，每个滤波器共有19种不同的设置。在MATLAB中预先计算了所有19中可能设置的频率器系数，并将其存储在表格中。使用5个不同表格，总共有5x19=95个不同的4阶过滤器。所有95个响应如下所示： 图16. 19X5频率系数的过滤器响应
每个4阶滤波器具有10个系数，意味着排列成950个不同滤波器系数。输入和输出数据为Q31模式。为了获得更好的噪声性能,两个低频算使用高精度 32x64 位双二阶滤波器。本示例中的输入信号使用对数线性调频。 图17. 输入信号对数线性调频
数组bandGains指定以dB为单位的增益应用于每个带宽。例如，如果bandGains={0, -3, 6, 4, -6}；那么输出信号将是： 图18. bandGains调频输出信号
注意： 输出线性调频信号跟随着每个带宽的增益或增强而变化。变量描述:- testInput_f32：指向输入数据
- testRefOutput_f32：指向参考输出数据
- testOutput：指向测试输出数据
- inputQ31：临时输入缓冲区
- outputQ31：临时输出缓冲区
- biquadStateBand1Q31：指向band1的状态缓冲区
- biquadStateBand2Q31：指向band2的状态缓冲区
- biquadStateBand3Q31：指向band3的状态缓冲区
- biquadStateBand4Q31：指向band4的状态缓冲区
- biquadStateBand5Q31：指向band5的状态缓冲区
- coeffTable：指向所有频段的系数缓冲区
- gainDB：增益缓冲器，其增益适用于所有频段
使用到DSP软件库的函数有：- arm_biquad_cas_df1_32x64_init_q31()
- arm_biquad_cas_df1_32x64_q31()
- arm_biquad_cascade_df1_init_q31()
- arm_biquad_cascade_df1_q31()
- arm_scale_q31()
- arm_scale_f32()
- arm_float_to_q31()
- arm_q31_to_float()
参考 AT32_DSP_DEMO\project\at_start_f403a\examples\5_6_arm_graphic_equalizer_example
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