DSPによるFFT処理

今回はSTM32でのDSPによるFFTについて紹介します。

環境はこれまで同様、

・STM32F303K8

　+SW4STM32(System Workbench for STM32)

　+STM32CubeMX(F3_1.6.0)

です。

プロジェクトのDSPライブラリ設定等はこちらを参照してください。

ちょっとしたFFT処理であれば、精度よりも速さ重視なことが多いため、

今回はあえてFloatでなくQ15でのFFTを紹介します。

q_15をf32に置き換えればFloatと同じように使えます。

FFT処理は使用するライブラリの関数によって

配列の渡し方や複素数の扱いが異なるため、

間違えて配列オーバーなどしてしまいがちです。

長さに注意しながらコーディングが必要です。

ARMのFFTコード例は下記の通りです。

一部抜粋です。

#define LENGTH_SAMPLES     256　//Num of Real & Img

#define ifftFlag         0
#define doBitReverse    1
#define fftSize            LENGTH_SAMPLES/2

#define FFTLen arm_cfft_sR_q15_len128

q15_t FFT_Input[LENGTH_SAMPLES];
q15_t FFT_Output[LENGTH_SAMPLES/2];

enum{ WAIT,RUN};

//実部と虚部で256個でAD変換値は実部のため、サイズは128

enum{ ADC_BUFFER_LENGTH = LENGTH_SAMPLES/2 };

//DMA転送でHalfWordにつき16bit長で定義
static uint16_t g_ADCBuffer[ADC_BUFFER_LENGTH];

//AD変換後に呼び出される

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* AdcHandle)
{
 
    HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);
    HAL_ADC_Stop_DMA(&hadc1);

    for(int i=0;i<LENGTH_SAMPLES/2;i++){
        int tmp;
        tmp= g_ADCBuffer[i];

        //dsPICのFFTは構造体で実部と虚部を格納するが、

        //ARMでは配列に実部と虚部を交互に格納する

        FFT_Input[2*i]=tmp;　　　//Real part
        FFT_Input[2*i+1]=0.0;   //Img part
    }
    fft_status=RUN;
}

int main(void)
{
　//~~初期化処理~~//

  while (1)
  {

 　　　　if(fft_status==RUN){

          　　　arm_cfft_q15(&FFTLen, FFT_Input, ifftFlag, doBitReverse);
          　　　arm_cmplx_mag_q15(FFT_Input, FFT_Output, fftSize);
          　　　arm_max_q15(FFT_Output, fftSize, &maxValue, &testIndex);

　　　　　　　　

　　　　　　　　//サンプル数は実部と虚部で256個

　　　　　　　　//fftsizeは128個

　　　　　　　　//FFT_Outputには0~127でFFT結果が格納されるが、

　　　　　　　　//64~127は対称の値が入っているだけ

　　　　　　　　//実際に使うのはFFT_Outputの中で0~63のデータ

　　　　　　　　for(int j=0;j<fftSize/2;j++){
             　　　 printf("%d, ",FFT_Output[j]);
　　　          }

                fft_status=WAIT;

          　　　HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, g_ADCBuffer, ADC_BUFFER_LENGTH);
          　　　HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

　　　　　}

　　　　　else{

          　　　//なぜか何かしらの処理を入れないとwhileに入らないのでnopを入れる

          　　　__asm volatile("nop");

　　　　　}

　}

}

N555で35kHz前後で発振させた信号を読み込むと

下記のように35kHz前後の結果となりました。

DMA転送で設定をHalf Wordにしているにも関わらず、

g_ADCBufferバッファ変数長さを32bitにしてしまい、

AD変換結果のバッファを破壊するというバグに気付かず、

意図したFFT結果を得るのに時間が掛かってしまいました...

HalfWordではuint16_t g_ADCBufferが正解です。

FFT処理をしているとSTM32F303K8では

RAMサイズが16kB(実質12kB)のため、

STM32F303CCなどの32kBや40kBの大容量なRAMが欲しくなります。

一方でRAMサイズが大きくなるとピン数が48ピンになるため、

扱いやピン配列が面倒になります...

32ピンでRAMサイズが大きなものが出てほしいなあと思う限りです。

タイマ割り込みADCサンプリング

今回はSTM32でのタイマ割り込みでADCのサンプリングを行う際の設定について紹介します。

環境はこれまで同様、

・STM32F303K8

　+SW4STM32(System Workbench for STM32)

　+STM32CubeMX(F3_1.6.0)

です。

　

STM32CubeMXでADCは下記のように設定します。

今回はTimer2をトリガにしてADCサンプリングを行います。

ポイントはContinuousConvModeをDisableにする点。

最初、通常のADCサンプリング同様に

ContinuousConvModeをENABLEにしていました。

この状態ではタイマによらず、

ADC側のタイミングで連続して変換されてしまい、

意図したタイミングになりませんでした。

STM32CubeMXでTimer2は下記のように設定します。

タイマのPrescalerとPeriodは適当に設定して

後から下記のようにコード上で書き換えます。

  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = (SystemCoreClock / 1000000) - 1;  // 1us Tick
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 10-1; // 10us (100kHz)
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

上記の設定でPrescaleをクロックに応じた式にすることで

Periodをusとしてそのまま直感的に定義することが可能です。

ただ、秒単位の場合は変数の範囲を超えるため、

必要に応じてClockDivisioやPrescalerの変更が必要です。

DSP処理前設定2

今回はSTM32でのDSP処理の前設定2について紹介します。

環境はこれまで同様、

・STM32F303K8

　+SW4STM32(System Workbench for STM32)

　+STM32CubeMX(F3_1.6.0)

です。

前回紹介したDSP処理の前設定だけではsqrtなどの指数関数がコード上にあると

下記のようなエラー発生し、コンパイルできないという不具合に遭遇しました。

undefined reference to `__errno'

collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

make: *** [*XXXX.elf] Error 1

ハードFPUで指数関数等を処理するためにgccの引数を追記します。

Eclipseのプロジェクトから

「C/C++ Build」→「Settings」→「ToolSettings」→「MCU GCC Compiler」

「Command」欄を「gcc -fno-math-errno」へ変更します。

「OK」で設定を保存してください。

これで、指数関数がハードウェアFPUで使用可能になります。

例

    arm_sqrt_f32(a,&b);
    b=sqrtf(a);

　　※sqrt()はソフトFPUとなるため、使いません。

また、以前紹介したようにfloatでprintfするためには下記も追記してください。

Eclipseのプロジェクトから

「C/C++ Build」→「Settings」→「ToolSettings」

→「MCU GCC Linker」→「Miscellaneous」

「Linker flags」の欄を

「-specs=nosys.specs -specs=nano.specs -u _printf_float」へ変更します。

DSP処理の前設定

今回はSTM32でのDSP処理の前設定について紹介します。

環境はこれまで同様、

・STM32F303K8

　+SW4STM32(System Workbench for STM32)

　+STM32CubeMX(F3_1.6.0)

です。

STMのサイトからSTM32Cube_FW_F3_V1.6.0をダウンロードすると

いくつかサンプルコードが入っています。

その中にM4コア内臓のDSP処理を使用したFFTのサンプルがあります。

STM32Cube_FW_F3_V1.6.0\Drivers\CMSIS\DSP_Lib\Examples\arm_fft_bin_example\ARM

・FFT処理するためのサンプルデータ

　arm_fft_bin_data.c

・FFT処理のサンプルコード

　arm_fft_bin_example_f32.c

上記のコードをそのままCubeMXで生成したコード群に

そのまま組込んでもコンパイルが通らないため、

対処方法をご紹介します。

�@

#include "stm32f3xx_hal.h"の次に

#define ARM_MATH_CM4

を追加。

F3のM4コアの使用を定義。

この定義を忘れるとコアの種類が分からない旨のコンパイルエラーが出る。

#error "Define according the used Cortex core ARM_MATH_CM7,

ARM_MATH_CM4, ARM_MATH_CM3, ARM_MATH_CM0PLUS or ARM_MATH_CM0"

�A

#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"

をインクルード。

コアの定義の後に上記のインクルードをする。

�B

STM32Cube_FW_F3_V1.6.0\Drivers\CMSIS\Lib\ARM

内の

arm_cortexM4lf_math.lib

と

STM32Cube_FW_F3_V1.6.0\Drivers\CMSIS\Lib\GCC

内の

libarm_cortexM4lf_math.a

をプロジェクトフォルダ直下へ配置する。

 arm_cortexM4b_math.lib
 arm_cortexM4bf_math.lib
 arm_cortexM4l_math.lib
 arm_cortexM4lf_math.lib

から必要に応じて選択。

little endian, fpu, m4の場合で

arm_cortexM4lf_math.lib

�C

プロジェクトのプロパティーで「C/C++Build」の設定内の

Linker、LibrariesでDSP処理のライブラリを追加する。

Librariesに下記を追加。

arm_cortexM4lf_math

m

Library search pathにワークスペース下のプロジェクトフォルダを選択。

自動的に下記になる。

"${workspace_loc:/${ProjName}}"

この設定を忘れると

undefined reference to `arm_cfft_f32'

や

cannot find -larm_cortexM4lf_math.lib


なエラーが出る

以上でコンパイルが通りました。

DSP処理のFFT関数の使い方などは後ほどご紹介します。

dsPIC メモリ配置に関して

今回はdsPICマイコンでコンパイルする際に

遭遇したエラーの回避方法についてご紹介します。

dsPICマイコンで使用するコンパイラでC30やXC16などありますが、

大量の変数や連続した変数を使用する場合に下記のようなエラーがでることがあります。

Link Error: Could not allocate section~

Link Error: Could not allocate data memory

メモリは余裕があるはずなのになぜコンパイルできない？

ということがたまにあります。

このような場合に大量の変数や連続した変数に

下記のようなおまじないを入れるとうまくコンパイルできます。

__attribute__((far))

たとえば、

struct path p[205]__attribute__((far));

int a[200]__attribute__((far));

という感じです。

勝手にコンパイラがいいように配置してくれれば良いだけと思ってしまいます。

大量の変数を扱う際にはぜひこのおまじないを使ってみてください。