在STM32中使用DSP库

本文介绍了STM32F407使用DSP库的软件和硬件环境,以及具体配置步骤。软件环境为STM32CubeMX和Keil5,硬件为STM32F407。详细说明了用STM32CubeMX生成Keil5工程,在Keil 5中添加DSP库、配置工程选项,最后添加头文件即可使用DSP库,还给出官方HAL库中使用例程的位置。

软件环境:STM32CubeMX、Keil5
硬件环境:STM32F407


1.使用STM32CubeMX生成Keil5工程
注意:点击Project -> Settings打开工程设置窗口,点击Code Generator选项卡,在STM32Cube Firmware Library Package中选择Copy all used libraries into the project folder。
 

2.打开并配置Keil 5工程
(1)打开keil 5工程
(2)添加DSP库到工程中
若使用的是STM32CubeMX生成的工程,DSP库文件就在工程目录中,位于.\Drivers\CMSIS\Lib\ARM,里面有4个文件:
 
注:‘b’表示大端格式(Big Endian),‘l’表示小端格式(Little Endian),‘f’表示带浮点数。
我们目前使用的硬件平台是STM32F407系列,它带有FPU,同时使用的是小端格式,因此使用arm_cortexM4lf_math.lib,将它添加到工程中。
(3)点击 Project -> Options for Target,打开工程选项界面,点击Target选项卡,在Code Generation区域的Floating Point Hardware中选择Single Precision(单精度)。
 
点击C/C++选项卡,在Preprocessor Symbols区域的Define中添加如下内容:
ARM_MATH_CM4,__TARGET_FPU_VFP,__FPU_PRESENT=1
ARM_MATH_CM4表示在CM4中使用MATH库
__TARGET_FPU_VFP表示在目标设备中使用FPU
__FPU_PRESENT=1表示开启FPU,这个宏其实在stm32f407xx.h中有定义时,但是它并没有在core_cm4.h中起作用,在编译的时候会报错,应该是跟文件的编译顺序有关系,因此为了正常编译,在这里添加它。
(4)使用DSP库
在相应的.c文件中添加头文件:arm_math.h、arm_const_structs.h即可使用。
注:在官方的HAL库中有DSP库相关的使用例程,位于
C:\Users\Administrator\STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F4_V1.21.0\Drivers\CMSIS\DSP_Lib\Examples(这个是我的目录)

### STM32 CMSIS-DSP 实现 IIR 滤波器的步骤和方法 在 STM32使用 CMSIS-DSP 实现 IIR 滤波器,需要结合滤波器设计、系数生成、结构配置以及数据处理等多个环节。CMSIS-DSP 提供了 `arm_biquad_cascade_df1_f32` 等函数用于高效实现 IIR 滤波,适用于嵌入式实时信号处理场景[^1]。 #### 1. 滤波器设计与系数生成 IIR 滤波器具有递归结构,其输出不仅取决于当前输入,还依赖于过去的输入和输出值。该类滤波器的优点是阶数较低、计算效率高,但需注意系统稳定性问题[^2]。设计过程中,可以使用 MATLAB 或 Python 的 SciPy 工具包进行滤波器系数的生成。 例如,在 Python 中使用 `scipy.signal.butter` 设计一个二阶低通巴特沃斯滤波器: ```python import scipy.signal as signal fs = 1000 # 采样率 fc = 50 # 截止频率 order = 2 # 阶数 b, a = signal.butter(order, fc/(fs/2), 'low') ``` 上述代码将生成滤波器的分子(`b`)和分母(`a`)系数,可用于后续在 STM32 上的移植和使用[^2]。 #### 2. CMSIS-DSP 的配置与初始化 在 STM32 项目中使用 CMSIS-DSP 时,需要确保编译器定义了相应的宏以启用优化功能。例如针对 STM32F4 系列微控制器,应包含以下宏定义: ```c USE_HAL_DRIVER STM32F407xx ARM_MATH_CM4 ARM_MATH_LOOPUNROLL ARM_MATH_ROUNDING ARM_MATH_MATRIX_CHECK ``` 这些宏定义启用了 Cortex-M4 内核相关的数学优化选项,如循环展开、舍入控制等,从而提升 DSP 运算性能[^3]。 #### 3. IIR 滤波器结构配置 CMSIS-DSP 使用 `arm_biquad_casd_df1_inst_f32` 结构体表示双二阶级联型 IIR 滤波器实例。该结构体包含状态缓冲区指针、滤波器阶数、系数数组等信息。 初始化滤波器实例的示例代码如下: ```c arm_biquad_casd_df1_inst_f32 S; float32_t pState[4]; // 状态缓冲区大小为 4 * numStages float32_t pCoeffs[5] = { b0, b1, b2, a1, a2 }; // 系数顺序为 b0, b1, b2, a1, a2 arm_riscv_biquad_cascade_df1_init_f32(&S, numStages, pCoeffs, pState); ``` 其中,`numStages` 表示滤波器的级联阶数,`pCoeffs` 是按特定顺序排列的滤波器系数数组,`pState` 是状态变量缓冲区。 #### 4. 数据处理与滤波执行 完成滤波器初始化后,调用 `arm_biquad_cascade_df1_f32` 函数对输入信号进行滤波处理。该函数接受源数据指针、目标数据指针和块大小作为参数,并返回滤波后的结果。 ```c float32_t src[BlockSize]; // 输入信号 float32_t dst[BlockSize]; // 输出信号 arm_biquad_cascade_df1_f32(&S, src, dst, BlockSize); ``` 每次调用该函数时,都会更新内部状态变量,以便下一次处理连续的数据流。这种机制特别适合处理音频、传感器等连续输入信号。 #### 5. 性能优化建议 为了进一步提高滤波效率,建议采取以下措施: - **内存对齐**:将滤波器状态缓冲区和输入输出数组对齐到 32 字节边界,以利用 Cortex-M4 内核中的硬件加速特性。 - **DMA 协助数据搬运**:通过 DMA 将 ADC 采集的数据自动传输至内存缓冲区,避免 CPU 干预,从而释放资源用于滤波运算。 - **多缓冲机制**:采用双缓冲或乒乓缓冲策略,在一个缓冲区被处理的同时,另一个缓冲区接收新数据,实现无缝数据流处理。 ---
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