基于STM32f3的FIR应用测试分析

只看该作者 · 2023-6-29 01:38

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

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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）。

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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

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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。

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通过Fdatool设计内核

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其幅频曲线如下。

幅频曲线

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其相频特性如下

相频特性

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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 “。

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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。

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测试结果如下图所示

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STM32移植内核

运用STM32CubeMX生成Keil工程，具体配置见“附件\firTest1.4\demo.ioc”，并用Keil打开所生成的工程“附件\firTest1.4\MDK-ARM\demo.uvprojx”，

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Keil工程
如上图所示，在“附件\firTest1.4\App\app.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\firTest1.4\App\arm_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。