【STM32F407的DSP教程】第1章 初学数字信号处理准备工作
【STM32F407的DSP教程】第1章 初学数字信号处理准备工作
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第1章 初学数字信号处理准备工作
本期教程开始带领大家学习DSP教程，学习前首先要搞明白一个概念，DSP有两层含义，一个是DSP芯片也就是Digital Signal Processor，另一个是Digital Signal Processing，也就是我们常说的数字信号处理技术。本教程主要讲的是后者。
1.1 初学者重要提示
1.2 STM32F4的DSP功能介绍
1.3 Cortex-M4内核的DSP和专业DSP的区别
1.4 ARM提供的CMSIS-DSP库
1.5 TI提供的32位定点DSP库IQmath
1.6 ARM DSP软件替代模拟器件的优势
1.7 Matlab的安装
1.8 总结
1.1 初学者重要提示
- 关于学习方法问题，可以看附件章节A。
- 这几年单片机的性能越来越强劲，DSP芯片的中低端应用基本都可以用单片机来做。
- 当前单片机AI也是有一定前景的，ARM一直在大力推进，很多软件厂商和研究机构也在不断的努力。通过此贴可以了解下:单片机AI的春天真的来了，ARM最新DSP库已经支持NEON，且支持Python http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=94406 。
1.2 STM32F4的DSP功能介绍
STM32F4是采用的Cortex-M4内核，而DSP功能是内核自带的，下面我们通过M4内核框图来了解下：
重点看如下两个设计单元：
- DSP
DSP单元集成了一批专用的指令集（主要是SMID指令和快速MAC乘累加指令），可以加速数字信号处理的执行速度。
- FPU
Cortex-M4内核支持单精度浮点，可以大大加速浮点运算的处理速度。
下面是Cortex-M3，M4和M7的指令集爆炸图：
通过这个图，我们可以了解到以下几点：
- M4和M7系列有相同的DSP指令集。
- M7相比M4系列要多一些浮点指令集。
- 同时这里要注意一个小细节，浮点指令都是以字符V开头的。通过这点，我们可以方便的验证是否正确开启了FPU（MDK或者IAR调试状态查看浮点运算对应的反汇编是否有这种指令）。
不同M内核的DSP性能比较：
- Cortex-M7内核的DSP性能最强。
- Cortex-M3，M4和M33是中等性能，其中M3最弱。
- Cortex-M0，M0+和M23性能最弱。
1.3 Cortex-M4内核的DSP和专业DSP的区别
M核的DSP处理单元与专业DSP的区别：
1.4 ARM提供的CMSIS-DSP库
为了方便用户实现DSP功能，ARM专门做一个DSP库CMSIS-DSP，主要包含以下数字信号处理算法:
- BasicMathFunctions
提供了基本的数据运算，如加减乘除等基本运算，以_f32结尾的函数是浮点运算，以_q8, _q15, _q31,结尾的函数是定点运算，下面是部分API截图：
- FastMathFunctions
主要提供SIN，COS以及平方根SQRT的运算。
- ComplexMathFunctions
复杂数学运算，主要是向量，求模等运算。下面是部分API截图：
- FilteringFunctions
主要是滤波函数，如IIR，FIR，LMS等，下面是部分API截图：
- MatrixFunctions
主要是矩阵运算。
- TransformFunctions
变换功能。 包括复数FFT（CFFT），复数FFT逆运算（CIFFT），实数FFT（RFFT），实数 FFT 逆运算，下面是部分API截图：
- ControllerFunctions
控制功能，主要是PID控制函数和正余弦函数。
- StatisticsFunctions
统计功能函数，如求平均值，最大值，最小值，功率，RMS等，下面是部分API截图。
- SupportFunctions
支持功能函数，如数据拷贝，Q格式和浮点格式相互转换。
- CommonTables
arm_common_tables.c 文件提供位翻转或相关参数表。
1.5 TI提供的32位定点DSP库IQmath
初次使用这个定点库，感觉在各种Q格式的互转、Q格式数值和浮点数的互转处理上更专业些，让人一目了然。
所以本次教程也会对IQmath的时候做个介绍并配套一个例子。
1.6 ARM DSP软件替代模拟器件的优势
我们日常生活中用到DSP的地方很多，以生活中的设备为例：
通过ARM DSP软件替换模拟组件可以降低成本，PCB的面积和设计时间，同时提高灵活性和适应性。
- 降低BOM成本
将模拟电路转换为软件的最明显的好处是材料清单成本（BOM）减少。
- 提高设计灵活性
使用模拟滤波器来不断调节电路以获得最佳性能时，这种情况并不少见。较小的电路板修改会导致新的电气特性突然改变寄生电容或电感，从而导致模拟电路达不到预期。将模拟电路转换为DSP算法不仅可以消除这种风险，还可以根据软件的需要增加调整，且更灵活性。
- 减少产品尺寸
降低BOM成本具有额外的好处，也允许开发人员减少其产品的尺寸。
- 缩短设计周期时间
将模拟电路转换为软件有助于缩短设计周期。这有几个原因：
-
- 首先，有很多工具可供软件设计人员模拟和生成替换模拟电路所需的DSP算法。这通常比通过电路仿真和测试调整电路所需的时间快得多。
- 其次，如果需要进行更改，可以在软件中进行更改，这可以在几分钟内完成，而不必重新调整电路板或进行硬件修改。
- 现场适应性
在某些产品中，设计者很难预料用户在现场所遇到的各种情况。使用DSP算法，设计者甚至用户都可以进行实时调整，以适应现场条件，而无需进行大量硬件修改。
用数字信号处理算法替换模拟电路有很多好处。需要设计者在实际应用中权衡利益，选择最合适的方案。
1.7 Matlab安装
Matlab是学习DSP过程中非常重要的辅助工具，也是需要熟练掌握的，本教程的第2章到第5章进行了入门介绍。
1.8 总结
本期教程主要是做一些入门性的介绍，下期教程将开始实战。