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STM32F4 Timer+ADC+DMA+FFT的理解与应用

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楼主
ST, DMA, DM, ADC, AD
STM32F407 利用Timer+ADC+DMA在FFT上的理解与运用
最近遇到有关信号的总谐波失真THD值的测量,根据THD的计算公式可知我们需要知道该信号各次谐波分量的幅值,所以需要将ADC采样到的信号进行FFT,将时域上的信号转换到频域上,获得其幅值。

这里我们假设要采集的信号为1Khz。

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沙发
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:00 | 只看该作者
方案
利用STM32F407上的定时器Timer来触发ADC采样,并利用DMA搬运采样到的AD值,最后用dsp库里的有关FFT运算的函数进行各次谐波幅值的获取。

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板凳
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:00 | 只看该作者
原理
设定数据
被采信号频率:f
被采信号周期:T = 1/f
采样频率:fs
采样周期:Ts = 1/fs

采样总点数:NPT
采样总时间:t = NPT * Ts

频谱图频率分辨率:f0 = fs/NPT

采到的被采信号周期数:NT = t/T
一个被采信号周期的采样点数:fs/f

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地板
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:00 | 只看该作者
带入数据
我们需要采的信号频率为1KHz,此次准备以32KHz的采样频率进行采集,并且一共只采集256个点进行FFT运算。

故:
被采信号频率:f = 1000Hz
被采信号周期:T = 1/f  = 0.001s
采样频率:fs = 32 000Hz
采样周期:Ts = 1/fs =0.000 031 25s

采样总点数:NPT = 256
采样总时间:t = NPT * Ts = 0.008s

频谱图频率分辨率:f0 = fs/NPT = 32 000Hz/256 = 125Hz

采到的被采信号周期数:NT = t/T = 0.008s/0.001s = 8
一个被采信号周期的被采到的点数:fs/f = 32 000Hz/1000Hz = 32

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5
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:00 | 只看该作者
分析数据
FFT后的幅度谱的横坐标是频率,并且是离散的。是以频率f0的n倍展开的。故横坐标为

… , -nf0, …-2f0, -f0, 0, f0, 2f0, … ,nf0, … 而纵坐标为对应频点的幅值信息。

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6
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:01 | 只看该作者
本次是设定的f0 = 125Hz, 理想情况下FFT后的幅度谱看起来应该会是下面这个样子:

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7
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:01 | 只看该作者
其中横坐标0刻度的地方即频率为0的点,为直流分量 。如果被采信号没有偏置的话这一点幅度应该为0。而横坐标其它点皆为125Hz的倍数。
由于被采信号的频率为1000Hz,故横坐标的正半轴和负半轴的1000Hz处都会有“擎天柱”。但在运用中我们只会取正半轴部分,毕竟正半轴知道了也就知道了负半轴,所以负半轴可以说是没什么用的。
值得注意的是:对于直流分量来说,纵坐标对应的值就是直流分量的幅度,而其他频率对应的纵坐标值只是其实际幅值的1/2
关于这一点有一个简单的理解方式,就是它的幅度平均分到了正负半轴,导致只有一半。

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8
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:01 | 只看该作者
如果从公式的角度,可以这样理解: 可以看到,正负两边均只有信号峰值A的一半,对于幅度而言也是一样的也是一半。这是本人个人的理解方式,可能会不严谨。

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9
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:01 | 只看该作者
代码
ADC+DMA部分:
ADC注意配置成外部时钟触发,不连续转换,单通道不扫描。
DMA需要外设不自增,内存自增的方式来存储采到的连续的256个点,非循环模式。

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10
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:02 | 只看该作者
#include "ADCDMA.h"

//PF3 ADC3:IN9

uint16_t AD3_Value[AD3_Value_Length];

void AD3_Init(){
        //结构体
        GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;                                 //GPIO结构体       
        DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;                                        //DMA结构体       
        ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;                 //ADCcommon结构体
        ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;                                        //ADC结构体
       
        //时钟开启
        RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);        //使能GPIOF时钟
        RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2,ENABLE);                //使能DMA2时钟
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC3, ENABLE);        //使能ADC3时钟
       
        //GPIO配置
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;               
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;                        //模拟模式
//        GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                        //推挽输出
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;                //100MHz
        GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;                //浮空
        GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);                                        //GPIO初始化
       
        //ADCcommon配置
        ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;                                        //独立模式
        ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;                //非多重模式,多重模式下才开启此配置的DMA
        ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;                                        //采样频率4分频                84MHz/4 = 21MHz
        ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;
        ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);                                                                        //ADCcommon结构体初始化
       
        //ADC配置
        ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;                                                        //是否连续转换
        ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;                                                //数据对齐:右对齐
        ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_TRGO;//
        ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_RisingFalling   ;        //
        ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = AD3_Value_Length;                                        //转换数量:一波采集采集的AD值个数,多通道时一般为通道数量
        ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;                                                //12bit
        ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;                                                                  //是否扫描:多通道需扫描
        ADC_Init(ADC3, &ADC_InitStructure);                                                                                        //ADC3初始化


        //ADC序列 转换顺序
        ADC_RegularChannelConfig(ADC3,ADC_Channel_9, 1,ADC_SampleTime_84Cycles);


        //DMA配置
        DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_2;                                                        //DMA_CH2       
        DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;                                                         //非循环
        DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;                                        //外设到内存
        DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = AD3_Value_Length;                                        //传输次数,数组长度
        DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;                                        //优先级
                //DMA_FIFO
        DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
        DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
       
        DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr =        (uint32_t)AD3_Value;                                 //内存地址:收集AD值得数组               
        DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
        DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;                        //16 bit
        DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;                                                //内存自增

        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(ADC3->DR);                        //外设地址,ADC3地址,多通道但仅有一个寄存器
        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;        //16 bit
        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;                         //外设不自增,始终为ADC3地址
        DMA_Init(DMA2_Stream0,&DMA_InitStructure);                                                                        //DMA2_Stream0 初始化

        DMA_Cmd(DMA2_Stream0,ENABLE);                                                //DMA2_Stream0 使能       
        ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC3, ENABLE);        //源数据变化时开启DMA传输
        ADC_DMACmd(ADC3, ENABLE);                                                        //ADC3_DMA使能
        ADC_Cmd(ADC3, ENABLE);                                                                //ADC3 使能
       
//        ADC_SoftwareStartConv(ADC3);                                                //软件触发ADC转换
}

//******清空ADC与DMA的中断标志位,起到再次触发ADC与DMA的作用,否则ADC只会采集一波数据然后DMA搬运,若需多次采集必须使用次函数,可在数据处理完成后再次使用***//
void ADC_DMA_Trigger(){

        DMA_Cmd(DMA2_Stream0,DISABLE);//若用循环模式就可不用disable再enable,关掉再重启主要起重装NDTR和保护数据的作用
//        DMA_SetCurrDataCounter(DMA2_Stream0,AD3_Value_Length);
//        DMA_ClearITPendingBit( DMA2_Stream0 ,DMA_IT_TCIF0|DMA_IT_DMEIF0|DMA_IT_TEIF0|DMA_IT_HTIF0|DMA_IT_TCIF0 );
        DMA_ClearITPendingBit( DMA2_Stream0 ,DMA_IT_TCIF0);       
        ADC_ClearITPendingBit(ADC3,ADC_IT_OVR);//ADC3->SR = 0;
        DMA_Cmd(DMA2_Stream0,ENABLE);
}

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我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:02 | 只看该作者
#ifndef __ADCDMA_H__
#define __ADCDMA_H__

#include "stm32f4xx.h"  

#define AD3_Value_Length 256 //因为采样点数是256,故需要长度为256的数组

extern uint16_t AD3_Value[AD3_Value_Length];

void AD3_Init();
void ADC_DMA_Trigger();

#endif

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我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:02 | 只看该作者
Timer部分:
由于是定时器触发ADC所以采样率由定时器控制,即:

fs = 84MHz/(arr*psc)

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我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:02 | 只看该作者
#include "Timer.h"

//主频84M

//TIM2 32bit
void TIM2_Init(uint16_t arr, uint16_t psc){
       
        RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);                       //TIM2 时钟使能
       
        TIM_InternalClockConfig(TIM2);       
        TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;                                //时基结构体
        TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;                                         //设置自动重装载值
        TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler =psc;                                         //设置预分频值
        TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;         //设置时钟分割
        TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
       
        TIM_SelectOutputTrigger(TIM2,TIM_TRGOSource_Update);                        //更新溢出向外触发
        TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);                         //时基初始化
        TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);                                                                                        //定时器使能
}

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我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:02 | 只看该作者
#ifndef __TIMER_H__
#define __TIMER_H__

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header

void TIM2_Init(uint16_t arr, uint16_t psc);

#endif

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我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:02 | 只看该作者
main部分:
#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "fft_calculate.h"
#include "math.h"
#include "Timer.h"
#include "ADCDMA.h"

/********************************************工程介绍***********************************************************
此FFT工程,利用Timer定时触发ADC3_IN9触发AD采集并利用DMA2_Stream0搬运至AD3_Value[256] 即采样256个点

/***********************************FFT相关理论计算介绍********************************************************
设:
被采目标信号频率:f
被采目标信号周期:T = 1/f
采样频率:fs
采样周期:Ts = 1/fs

采样点数:NPT
采样总时间:t = NPT*Ts

频谱图频率分辨率:f0 = fs/NPT

采到的被采信号周期数:NT = t/T
一个被采信号周期的采样点数:fs/f

*************************************************************************************************************/
u16 i;

int main(){
        delay_init(168);
        uart_init(9600);
       
        printf("Start !\r\n");
       
        TIM2_Init(5-1, 525-1);//fs=32KHz        fs=84MHz/(arr*psc)
        AD3_Init();       
        delay_ms(10);


        while(1){
               
                ADC_DMA_Trigger();                                                                                        //每次都要重新触发,否则只采样一波数据(NPT个AD值)便停止了
               
                for(i=0; i<NPT; i++){
                       
                        InBufArray[i] = ((signed short)(AD3_Value[i])) << 16;        //将AD值移至实部
                        printf("%d\r\n",AD3_Value[i]);                                                        //打印AD值(片内12位AD:0~4095)
                       
                }
               
                cr4_fft_256_stm32(OutBufArray, InBufArray, NPT);                        //FFT运算
                GetPowerMag();                                                                              //获取信号各次谐波分量的幅值       
               
                for(i=0; i<NPT/2; i++){                                                                       
                        printf("%d:%d\r\n",i,MagBufArray[i]);                                        //打印幅值
                }
                delay_ms(5000);
               
}

}



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我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:03 | 只看该作者
在用函数cr4_fft_256_stm32(OutBufArray, InBufArray, NPT)时,注意将AD值送入InBufArray[]的实部,它的高16位表示复数的实部,低16位表示虚部。

而函数GetPowerMag()是对FFT后输出的复数OutBufArray[]求模值。

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17
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:03 | 只看该作者
关于函数ADC_DMA_Trigger()的作用,这里本人才疏学浅也很迷惑,但没有这一句有关中断标志位清除,确实只会运作一次,即只会采一次256个点运算,然后就没有然后了(还望高手指点迷津[抱拳])。我通过debug模式观察寄存器,发现ADC并没有在采样,DMA也没有在搬运数据。但这反而更方便了,让每一次采集都变得可控。需要采集时,使用此函数触发即可。

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18
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:03 | 只看该作者
实践
做了这么多工作现在来实操验证一下。此次实验输入的被采的信号均为正弦波。

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19
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:03 | 只看该作者
输入1KHz 0V到3V(即幅度:3V,偏移:1.5V)

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20
我爱台妹mmd|  楼主 | 2023-8-27 18:03 | 只看该作者
用示波器先浅浅观察一下:

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