龍吉

摘 要：STM32微控制器是ST公司面向嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的微控制器，它具有很高的性價(jià)比，由于內(nèi)核不同，它的產(chǎn)品種類也不同，本文主要針對STM32F4x系列，利用ST公司的DSP函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)在STM32上運(yùn)行有限單位沖激響應(yīng)濾波器（FIR）的設(shè)計(jì)方法，實(shí)踐表明，STM32F407在開啟浮點(diǎn)運(yùn)算后可以流暢運(yùn)行FIR，滿足微處理器對傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波的要求。

關(guān)鍵詞：STM32微控器;FIR濾波器;設(shè)計(jì)

0 引言

在小型的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，微控制器的主要作用不僅是協(xié)調(diào)、控制各個(gè)外圍電路工作，有些系統(tǒng)還需要微控制器運(yùn)算一些算法，簡單而有效的算法或者數(shù)字濾波器可以替代純硬件電路，具有硬件電路少、成本低、故障率低的優(yōu)點(diǎn)，但是有些算法規(guī)模和復(fù)雜程度較大，一般的微控制器如8位、16位微控制器偏重于實(shí)時(shí)控制、寄存器較多，浮點(diǎn)運(yùn)算能力很弱運(yùn)行起來就顯得特別吃力，而現(xiàn)階段ST公司推出的STM32微控制器性能較為強(qiáng)勁，在保證實(shí)時(shí)性的情況下，也可以運(yùn)行一些大型的數(shù)字濾波器和算法。

1 STM32F407微控制器

STM32F407是一種基于ARM cortex-M4內(nèi)核的高性能微處理器，它是STM32F4系列的中高端產(chǎn)品，具備168MHz主頻下達(dá)到210DMIPS的性能，內(nèi)置1MB閃存和192KB的SRAM。其內(nèi)部資源比較豐富，具有2個(gè)USB2.0的OTG，3個(gè)快速轉(zhuǎn)換的12位ADC，相比上一代ARM cortex-M3內(nèi)核產(chǎn)品，STM32F407微控制器集成了單周期的DSP指令集和浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU，大大提高了微控制器在浮點(diǎn)運(yùn)算的計(jì)算能力，配合ST公司專為STM32微控制器開發(fā)的庫函數(shù)，可以運(yùn)行大型數(shù)學(xué)運(yùn)算，提升了微控制器的執(zhí)行效率和運(yùn)行速度，節(jié)約項(xiàng)目開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間。

2 FIR濾波器

在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中，微控制器不僅僅需要對傳感器信號(hào)進(jìn)行采集然后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，還要針對處理結(jié)果控制外圍設(shè)備。在這個(gè)過程中，對于傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、濾波處理一般由外圍電路組成，如常用的巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器等，把經(jīng)過濾波處理過的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，可以獲得準(zhǔn)確度較高的數(shù)據(jù)。而在實(shí)際應(yīng)用中，某些外界因素對傳感器的影響會(huì)使檢測的模擬信號(hào)受到干擾，而這些干擾信號(hào)是可以利用數(shù)字濾波器濾除的，目前應(yīng)用比較多的數(shù)字濾波器是無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）和有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）兩種，IIR濾波器具有輸入反饋，所以其輸出值不僅要取決于當(dāng)前輸入值，還要取決于過去的輸出值，那么理論上，這種濾波器的沖激響應(yīng)是無限持續(xù)的，有不容易被設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。而FIR濾波器不具有輸入反饋，即輸出值只取決于當(dāng)前和過去的輸入值，容易被設(shè)計(jì)，但是同樣功能的FIR濾波器相比IIR濾波器要復(fù)雜很多，系數(shù)更多，給原本就負(fù)擔(dān)較重和實(shí)時(shí)性要求較高的微控制器增加致命的計(jì)算量，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低。所以一些采用數(shù)字濾波器的系統(tǒng)，都會(huì)將計(jì)算數(shù)字濾波器的工作量交給其他微處理器運(yùn)行，如DSP或者FPGA，所以，本文主要提出一種采用STM32F407微控制器運(yùn)行FIR濾波器的設(shè)計(jì)方案，在運(yùn)行一定量的采樣率和階數(shù)的FIR下保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，滿足控制系統(tǒng)的要求。

3 庫函數(shù)中的FIR濾波器設(shè)計(jì)方法

要在STM32F407上利用DSP庫運(yùn)行FIR，首先需要利用Matlab的工具箱FDATOOL設(shè)計(jì)FIR濾波器，然后生成濾波器所需的系數(shù)，為了增強(qiáng)其運(yùn)算性能，還需要在程序中添加開啟FPU的命令。

本設(shè)計(jì)利用Matlab設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波器，所濾波信號(hào)由10Hz和100Hz信號(hào)組成，截止頻率50Hz，采樣率為1000Hz。為了更好的檢測信號(hào)，防止能量泄露，F(xiàn)IR選擇窗函數(shù)、hamming窗減少旁瓣，由于DSP庫中的FIR濾波器系數(shù)必須是4的倍數(shù)，所以選擇200階。設(shè)計(jì)好FIR濾波器后生成系數(shù)，保存為數(shù)組形式或者頭文件形式等待移植。

DSP庫中的FIR函數(shù)支持Q7、Q15、Q31和浮點(diǎn)四種數(shù)據(jù)類型，需要用到arm_fir_f32（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)可以在DSP_Lib＼Source＼FilteringFunctions文件夾中的arm_fir_32.c找到，在使用函數(shù)前需要對該函數(shù)中的參數(shù)定義有所了解。

階數(shù)越高，系數(shù)越復(fù)雜，STM32F407的運(yùn)算時(shí)間越長。一般來講，開啟FPU后的STM32F407運(yùn)行200階左右的FIR濾波器運(yùn)算時(shí)間為毫秒級(jí)，是可以保證實(shí)時(shí)性的。

4 ?開啟FPU的方法

早期的STM32F4xx固件庫中的system_stm32f4xx.c文件默認(rèn)禁用FPU的，即在CMSIS中沒有定義FPU，雖然文件中添加了FPU相關(guān)代碼，但是利用MDK編譯器執(zhí)行過程中會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，為保證系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行，可以在system_init（）函數(shù)中添加條件編譯代碼或者直接使用FPU即可。如：

#if （__FPU_PRESENT == 1） && （__FPU_USED == 1）

SCB->CPACR |= （（3UL << 10*2）|（3UL << 11*2））;

#endif

或者：

#define __FPU_USED ? ? ? 1

兩種方法不同，但是都需要對各個(gè)相關(guān)文件進(jìn)行設(shè)置，只需根據(jù)相應(yīng)的#define命令查找定義即可設(shè)置，這里不再贅述。

需要注意的是，啟用FPU不代表微控制器處理復(fù)雜運(yùn)算就大大的提升效率了，這里還需要對ARM處理器的math.h頭文件進(jìn)行替換，因?yàn)閙ath.h頭文件中的運(yùn)算函數(shù)都是基于定點(diǎn)處理器和IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)來運(yùn)行的，想要提升微控制器的運(yùn)算性能，還需要STM32固件庫中的優(yōu)化函數(shù)來解決，即包含arm_math.h頭文件即可。以上兩個(gè)設(shè)置都需要在工程選項(xiàng)中的C/C++加入define命令：

__FPU_PRESENT=1，__FPU_USED =1

ARM_MATH_CM4

5 結(jié)論

通過Matlab運(yùn)行FDATOOL工具箱來設(shè)計(jì)FIR濾波器，可以

節(jié)省很大一部分時(shí)間，對于STM32F407開啟FPU后運(yùn)行FIR濾

波器能夠在保證精度的情況下具有很好的實(shí)時(shí)性，在工業(yè)控制當(dāng)中很實(shí)用，特別在小型的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中更具競爭實(shí)力。