一、前言
本项目基于英飞凌PSoC 6 RTT开发板实现了信号处理前端-一个信号处理的工具集。
包括虚拟示波器,音频采集分析,谐波分析,周期幅值相位分析,数字滤波,极值检测,可上位机可视化和命令行人机交互,可以方便继续扩展相关功能,继续丰富工具集。
视频:https://www.bilibili.com/video/BV1PM4y147v1/
代码仓库:https://gitee.com/qinyunti/infineon-psoc62.git
2.1添加代码
git clone https://github.com/ARM-software/CMSIS_5.git
CMSIS_5CMSISDSP下是相关文件,Source下是源码
将DSP文件夹复制到自己的工程目录中,只保留
Include,PrivateInclude,Source三个文件夹
Source下的每个子文件夹都是一类算法,里面的每个c都对应一个计算函数,并且有一个总文件包括其中所有的单个.c,比如BasicMathFunctions.c中
删除这些总的.c,避免编译重复
删除以下文件和所有的非.c和.h文件
1BasicMathFunctions:BasicMathFunctions.c,BasicMathFunctionsF16.c 2BayesFunctions:BayesFunctions.c,BayesFunctionsF16.c 3CommonTables:CommonTables.c,CommonTablesF16.c 4ComplexMathFunctions:ComplexMathFunctions.c,ComplexMathFunctionsF16.c 5ControllerFunctions:ControllerFunctions.c 6DistanceFunctions:DistanceFunctions.c,DistanceFunctionsF16.c 7FastMathFunctions:FastMathFunctions.c,FastMathFunctionsF16.c 8FilteringFunctions:FilteringFunctions.c,FilteringFunctionsF16.c 9InterpolationFunctions:InterpolationFunctions.c,InterpolationFunctionsF16.c 10MatrixFunctions:MatrixFunctions.c,MatrixFunctionsF16.c 11QuaternionMathFunctions:QuaternionMathFunctions.c 12StatisticsFunctions:StatisticsFunctions.c,StatisticsFunctionsF16.c 13SupportFunctions:SupportFunctions.c,SupportFunctionsF16.c 14SVMFunctions:SVMFunctions.c,SVMFunctionsF16.c 15TransformFunctions:TransformFunctions.c,TransformFunctionsF16.c,arm_bitreversal2.S
工程设置添加相关头文件包含路径
2.2测试
复制CMSIS_5CMSISDSPExamplesARMarm_fft_bin_example下的arm_fft_bin_data.c和arm_fft_bin_example_f32.c到自己的工程目录
arm_fft_bin_example_f32.c下的
int32_t main(void)改为int32_t ffttest_main(void)
并添加#define SEMIHOSTING以使能printf打印,我们已经重定向实现了printf打印到串口。
由于 arm_cfft_f32(&varInstCfftF32, testInput_f32_10khz, ifftFlag, doBitReverse);会修改testInput_f32_10khz的内容,所以添加一个缓存,以便能重复测试
1float32_ttesttmp_f32_10khz[2048]; 2/*ProcessthedatathroughtheCFFT/CIFFTmodule*/ 3memcpy(testtmp_f32_10khz,testInput_f32_10khz,sizeof(testInput_f32_10khz)); 4arm_cfft_f32(&varInstCfftF32,testtmp_f32_10khz,ifftFlag,doBitReverse); 5/*ProcessthedatathroughtheComplexMagnitudeModulefor 6calculatingthemagnitudeateachbin*/ 7arm_cmplx_mag_f32(testtmp_f32_10khz,testOutput,fftSize);
在自己的main函数中申明并调用
int32_t ffttest_main(void)
ffttest_main()
编译运行可以看到串口打印SUCCESS说明测试OK。
将输入输出数据打印
1printf("SUCCESS "); 2for(inti=0;i
使用serialstudio可视化显示,可以看到计算结果FFT频率明显的峰值
三、音频采集
3.1原理图
从原理图看到有6路模拟输入,分别对应
P10.0~P10.5, VREF为模拟参考电压。
使用的是MAX4466的MIC,接到ADC0,如下图所示
3.2配置模拟采集引脚
3.3代码
Adc.c
1#include"cy_pdl.h" 2#include"cyhal.h" 3#include"cybsp.h" 4#include"cy_retarget_io.h" 5#defineVPLUS_CHANNEL_0(P10_0) 6/*Conversionfactor*/ 7#defineMICRO_TO_MILLI_CONV_RATIO(1000u) 8/*Acquistiontimeinnanosecond*/ 9#defineACQUISITION_TIME_NS(116680u) 10/*ADCScandelayinmillisecond*/ 11#defineADC_SCAN_DELAY_MS(200u) 12/******************************************************************************* 13*EnumeratedTypes 14*******************************************************************************/ 15/*ADCChannelconstants*/ 16enumADC_CHANNELS 17{ 18CHANNEL_0=0, 19NUM_CHANNELS 20}adc_channel; 21/******************************************************************************* 22*GlobalVariables 23*******************************************************************************/ 24/*ADCObject*/ 25cyhal_adc_tadc_obj; 26/*ADCChannel0Object*/ 27cyhal_adc_channel_tadc_chan_0_obj; 28/*DefaultADCconfiguration*/ 29constcyhal_adc_config_tadc_config={ 30.continuous_scanning=false,//ContinuousScanningisdisabled 31.average_count=1,//Averagecountdisabled 32.vref=CYHAL_ADC_REF_VDDA,//VREFforSingleendedchannelsettoVDDA 33.vneg=CYHAL_ADC_VNEG_VSSA,//VNEGforSingleendedchannelsettoVSSA 34.resolution=12u,//12-bitresolution 35.ext_vref=NC,//Noconnection 36.bypass_pin=NC};//Noconnection 37/*Asynchronousreadcompleteflag,usedinEventHandler*/ 38staticboolasync_read_complete=true; 39#defineNUM_SCAN(1000) 40#defineNUM_CHANNELS(1) 41/*Variabletostoreresultsfrommultiplechannelsduringasynchronousread*/ 42int32_tresult_arr[NUM_CHANNELS*NUM_SCAN]={0}; 43staticvoidadc_event_handler(void*arg,cyhal_adc_event_tevent) 44{ 45if(0u!=(event&CYHAL_ADC_ASYNC_READ_COMPLETE)) 46{ 47/*Setasyncreadcompleteflagtotrue*/ 48async_read_complete=true; 49} 50} 51intadc_init(void) 52{ 53/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 54cy_rslt_tresult; 55/*InitializeADC.TheADCblockwhichcanconnecttothechannel0inputpinisselected*/ 56result=cyhal_adc_init(&adc_obj,VPLUS_CHANNEL_0,NULL); 57if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 58{ 59printf("ADCinitializationfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 60CY_ASSERT(0); 61} 62/*ADCchannelconfiguration*/ 63constcyhal_adc_channel_config_tchannel_config={ 64.enable_averaging=false,//Disableaveragingforchannel 65.min_acquisition_ns=ACQUISITION_TIME_NS,//Minimumacquisitiontimesetto1us 66.enabled=true};//SamplethischannelwhenADCperformsascan 67/*Initializeachannel0andconfigureittoscanthechannel0inputpininsingleendedmode.*/ 68result=cyhal_adc_channel_init_diff(&adc_chan_0_obj,&adc_obj,VPLUS_CHANNEL_0, 69CYHAL_ADC_VNEG,&channel_config); 70if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 71{ 72printf("ADCfirstchannelinitializationfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 73CY_ASSERT(0); 74} 75/*Registeracallbacktohandleasynchronousreadcompletion*/ 76cyhal_adc_register_callback(&adc_obj,&adc_event_handler,result_arr); 77/*Subscribetotheasyncreadcompleteeventtoprocesstheresults*/ 78cyhal_adc_enable_event(&adc_obj,CYHAL_ADC_ASYNC_READ_COMPLETE,CYHAL_ISR_PRIORITY_DEFAULT,true); 79printf("ADCisconfiguredinmultichannelconfiguration. "); 80printf("Channel0isconfiguredinsingleendedmode,connectedtothe "); 81printf("channel0inputpin.Provideinputvoltageatthechannel0inputpin "); 82return0; 83} 84intadc_samp(void) 85{ 86/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 87cy_rslt_tresult; 88/*VariabletostoreADCconversionresultfromchannel0*/ 89int32_tadc_result_0=0; 90/*Clearasyncreadcompleteflag*/ 91async_read_complete=false; 92/*Initiateanasynchronousreadoperation.Theeventhandlerwillbecalled 93*whenitiscomplete.*/ 94memset(result_arr,0,sizeof(result_arr)); 95cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,true); 96result=cyhal_adc_read_async_uv(&adc_obj,NUM_SCAN,result_arr); 97if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 98{ 99printf("ADCasyncreadfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 100CY_ASSERT(0); 101} 102while(async_read_complete==false); 103cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,false); 104/* 105*Readdatafromresultlist,inputvoltageintheresultlistisin 106*microvolts.Convertitmillivoltsandprintinputvoltage 107* 108*/ 109for(inti=0;i
Adc.h
1#ifndefADC_H 2#defineADC_H 3intadc_init(void); 4intadc_samp(void); 5#endif
Main.c调用
adc_init();
adc_samp();
3.4时钟源
时钟源是100Mhz,12分频=8.33M,满足1.8MHz~18MHz之间的要求
默认是按照8M配置
3.5采样时间
采样前后翻转LED用示波器测量时间
1intadc_samp(void) 2{ 3/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 4cy_rslt_tresult; 5/*VariabletostoreADCconversionresultfromchannel0*/ 6int32_tadc_result_0=0; 7/*Clearasyncreadcompleteflag*/ 8async_read_complete=false; 9/*Initiateanasynchronousreadoperation.Theeventhandlerwillbecalled 10*whenitiscomplete.*/ 11memset(result_arr,0,sizeof(result_arr)); 12cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,true); 13result=cyhal_adc_read_async_uv(&adc_obj,NUM_SCAN,result_arr); 14if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 15{ 16printf("ADCasyncreadfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 17CY_ASSERT(0); 18} 19while(async_read_complete==false); 20cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,false); 21/* 22*Readdatafromresultlist,inputvoltageintheresultlistisin 23*microvolts.Convertitmillivoltsandprintinputvoltage 24* 25*/ 26for(inti=0;i
采样1000次,分别设置采样时间为2uS和1uS对比。
#define ACQUISITION_TIME_NS (2000u)
10.28mS
#define ACQUISITION_TIME_NS (1000u)
9.32mS
10.28-9.32=0.96mS 1000次约1mS,1次刚好是1uS。
而1000次除去采样时间其他时间为8.32mS,即一次8.32uS。
因为前面设置了时钟为8.33MHz, 从前面时序一节可以看到,除去采样时间,其他转换时间等需要14个CLK,所以需要14/8.33uS=1.7uS. 剩余的8.32-1.7为数据搬运,软件处理等时间。
3.6 采样值正确性
1.545V和示波器采集为1.54V差不多是正确的,这里没有高精度的万用表就不对测试精度了,只测试了正确性。
3.7音频采集
一次采集1000次然后串口打印,使用SerialStudio可视化显示
1intadc_samp(void) 2{ 3/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 4cy_rslt_tresult; 5/*VariabletostoreADCconversionresultfromchannel0*/ 6int32_tadc_result_0=0; 7/*Clearasyncreadcompleteflag*/ 8async_read_complete=false; 9/*Initiateanasynchronousreadoperation.Theeventhandlerwillbecalled 10*whenitiscomplete.*/ 11memset(result_arr,0,sizeof(result_arr)); 12cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,true); 13result=cyhal_adc_read_async_uv(&adc_obj,NUM_SCAN,result_arr); 14if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 15{ 16printf("ADCasyncreadfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 17CY_ASSERT(0); 18} 19while(async_read_complete==false); 20cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,false); 21/* 22*Readdatafromresultlist,inputvoltageintheresultlistisin 23*microvolts.Convertitmillivoltsandprintinputvoltage 24* 25*/ 26for(inti=0;i
四、信号处理前端
4.1 电能质量,谐波分析
4.1.1添加命令行
在电能检测应用中,电能质量一项分析即谐波分析,谐波分量大,说明电能质量不好,
基于本板信号处理前端也实现了该功能。
shell_fun.h中
1voidFftFun(void*param);
shell_fun.c中
1include"fft.h"
shell_cmd_list中添加一行
1{(constuint8_t*)"fft",FftFun,"fft"},/*打印帮助信息*/
添加命令执行函数
1voidFftFun(void*param) 2{ 3fft_main(); 4}
4.1.2添加实现
Fft.c
1#include"arm_math.h" 2#include"arm_const_structs.h" 3#include
Fft.h
1#ifndefFFT_H 2#defineFFT_H 3intfft_main(void); 4#endif
测试
4.2 周期(频率),幅值,相位分析
4.2.1 原理
FFT变换结果,幅值最大的横坐标对应信号频率,纵坐标对应幅度。幅值最大的为out[m]=val;则信号频率f0=(Fs/N)m ,信号幅值Vpp=val/(N/2)。N为FFT的点数,Fs为采样频率。相位Pha=atan2(a, b)弧度制,其中ab是输出虚数结果的实部和虚部。
4.2.2添加命令行
shell_fun.h中
1voidFrqFun(void*param);
shell_fun.c中
include "frq.h"
shell_cmd_list中添加一行
1{(constuint8_t*)"frt",FrqFun,"frq"},
添加命令执行函数
1voidFrqFun(void*param) 2{ 3Frq_main(); 4}
4.2.3实现代码
Frq.c
1#include"arm_math.h" 2#include"arm_const_structs.h" 3#include
Frq.h
1#ifndefFRQ_H 2#defineFRQ_H 3intfrq_main(void); 4#endif
4.2.4测试
输入frq开始测试印如下
实时采集测试
此时采集的是音频背景声,噪声很小,所以频率为0
4.3数字滤波信号前端
4.3.1原理
CMSIS-DSP提供直接I型IIR库支持Q7,Q15,Q31和浮点四种数据类型。其中Q15和Q31提供了快速版本。
直接I型IIR滤波器是基于二阶Biquad级联的方式来实现的。每个Biquad由一个二阶的滤波器组成:
y[n] = b0 x[n] + b1 x[n-1] + b2 x[n-2] + a1 y[n-1] + a2 * y[n-2]
直接I型算法每个阶段需要5个系数和4个状态变量。
matlab使用上面的公式实现,在使用fdatool工具箱生成的a系数需要取反才能用于直接I型IIR滤波器的函数中。
高阶IIR滤波器的实现是采用二阶Biquad级联的方式来实现的。其中参数numStages就是用来做指定二阶Biquad的个数。比如8阶IIR滤波器就可以采用numStages=4个二阶Biquad来实现。
如果要实现9阶IIR滤波器就需要将numStages=5,这时就需要其中一个Biquad配置成一阶滤波器(也就是b2=0,a2=0)。
4.3.2添加命令行
shell_fun.h中
void IirFun(void* param);
shell_fun.c中
1include"iir.h"
shell_cmd_list中添加一行
1{(constuint8_t*)"iir",IirFun,“iir"},
添加命令执行函数
1voidIirFun(void*param) 2{ 3Iir_main(); 4}
4.3.3实现代码
Iir.c
1#include"arm_math.h" 2#include"arm_const_structs.h" 3#include
Iir.h
1#ifndefIIR_H 2#defineIIR_H 3intiir_main(void); 4#endif
4.3.4测试
输入iir回车,查看波形
见视频
以下可以看到滤波导致了滞后,黄色线有滞后
以下是实时采集滤波
4.4 极大值检测
在电力等行业,分析电压极值,是一项重要的参数分析,可以分析电压的波动;示波器中也有自动测量极值的功能更。本板作为信号处理前端也实现了该功能。
4.4.1 算法
算法来源于论文https://www.mdpi.com/1999-4893/5/4/588/htm
核心代码如下
1voidampd(int32_t*data,int32_tlen) 2{ 3introw_sum; 4for(intk=1;k<len/2+1;k++) 5{ 6row_sum=0; 7for(inti=k;i<len-k;i++) 8{ 9if((data[i]>data[i-k])&&(data[i]>data[i+k])) 10{ 11row_sum-=1; 12} 13} 14arr_rowsum[k-1]=row_sum; 15} 16intmin_index=argmin(arr_rowsum,len/2+1); 17max_window_length=min_index; 18for(intk=1;k
4.4.2 添加命令行
1{(constuint8_t*)"max",MaxFun,"max"},/*打印帮助信息*/ 2voidMaxFun(void*param) 3{ 4max_test(); 5} 6voidMaxFun(void*param);
测试代码如下,串口命令行输入命令max,开始采集ADC值,并计算极值,打印到PC串口通过seraistudio可视化显示
1intmax_test(void) 2{ 3for(inti=0;i<10;i++) 4{ 5memset(p_data,0,sizeof(p_data)); 6//adc_samp(sim_data_buffer,1000); 7sim_data(); 8ampd(sim_data_buffer,sizeof(sim_data_buffer)/sizeof(sim_data_buffer[0])); 9for(intk=0;k<sizeof(sim_data_buffer)/sizeof(sim_data_buffer[0]);k++) 10{ 11if(p_data[k]==max_window_length) 12{ 13/*极大值*/ 14printf("/*%ld,%ld*/ ",sim_data_buffer[k],sim_data_buffer[k]); 15} 16else 17{ 18printf("/*%ld,%d*/ ",sim_data_buffer[k],0); 19} 20cyhal_system_delay_ms(10); 21} 22} 23return0; 24}
4.4.3 测试
效果如下IN是原始数据,MAX是检测到的极大值,如果检测极小值将原始数据取反即可。
检测语音,效果如下
五、总结
得益于开发板出色的处理性能,和外设性能,以及官方可视化的代码配置工具,可以方便的搭建开发环境,实现外设采集信号比如ADC,移植DSP库,实现各种算法。本Demo实现了谐波分析,周期幅值相位分析,数字滤波,极大值检测等功能,是一个小的工具集,还可以继续扩展,设计了人机交互命令行,方便实用和测试,具备一定实用价值。
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原文标题:基于infineonPSOC62开发板的-信号处理前端 虚拟示波器-工具集
文章出处:【微信号:RTThread,微信公众号:RTThread物联网操作系统】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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