基于瑞萨RA6M5的信号处理工具集设计

七、重定向标准输入输出

以上实现了串口驱动，我们现在来实现串口重定向标准输入输出以方便后面的调试，处于资源和效率考虑，我们这里移植小型的xprintf而不是使用printf。添加xprintf.c xprintf.h到工程src下xprintf.h中使能以下宏

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#define XF_USE_OUTPUT        1        /* 1: Enable output functions */
#define        XF_CRLF                        1        /* 1: Convert 
 ==> 
 in the output char */
#define        XF_USE_DUMP                1        /* 1: Enable put_dump function */
#define        XF_USE_LLI                1        /* 1: Enable long long integer in size prefix ll */
#define        XF_USE_FP                1        /* 1: Enable support for floating point in type e and f */
#define XF_DPC                        '.'        /* Decimal separator for floating point */
#define XF_USE_INPUT        1        /* 1: Enable input functions */
#define        XF_INPUT_ECHO        1        /* 1: Echo back input chars in xgets function */

hal_entry.c中

#include "xprintf.h"

设置收发接口

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void xprintf_output(int ch)
{
        uint8_t val = (uint8_t)ch;
        drv_uart_write(&val,1);
}




int xprintf_input(void)
{
        uint8_t val;
        while(drv_uart_read(&val,1) <= 0);
        return (int)val;
}




          xdev_out(xprintf_output);
          xdev_in(xprintf_input);

测试

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                     xprintf("%d
", 1234);             /* "1234" */
                        xprintf("%6d,%3d%%
", -200, 5);   /* "  -200,  5%" */
                        xprintf("%-6u
", 100);            /* "100   " */
                        xprintf("%ld
", 12345678);        /* "12345678" */
                        xprintf("%llu
", 0x100000000);    /* "4294967296"    */
                        xprintf("%lld
", -1LL);           /* "-1"            */
                        xprintf("%04x
", 0xA3);           /* "00a3" */
                        xprintf("%08lX
", 0x123ABC);      /* "00123ABC" */
                        xprintf("%016b
", 0x550F);        /* "0101010100001111" */
                        xprintf("%*d
", 6, 100);          /* "   100" */
                        xprintf("%s
", "abcdefg");        /* "abcdefg" */
                        xprintf("%5s
", "abc");           /* "  abc" */
                        xprintf("%-5s
", "abc");          /* "abc  " */
                        xprintf("%.5s
", "abcdefg");      /* "abcde" */
                        xprintf("%-5.2s
", "abcdefg");    /* "ab   " */
                        xprintf("%c
", 'a');              /* "a" */
                        xprintf("%12f
", 10.0);           /* "   10.000000"  */
                        xprintf("%.4E
", 123.45678);      /* "1.2346E+02"    */
                        for(;;)
                        {
                                char buffer[64];
                                char* p = buffer;
                                long a;
                                long b;
                                long c;
                                xprintf("please input int a and int b
");
                                xgets(buffer,sizeof(buffer));
                                xatoi(&p,&a);
                                xatoi(&p,&b);
                                c = a + b;
                                xprintf("%d + %d = %d
",a,b,c);
                        }

输入1空格2回车打印1 + 2 = 3

八、命令行实现

以上实现了串口重定向，我们现在实现简单的命令行，以便后面进行交互操作。设计思想是，定义命令字符串和实现函数的对应表，标准输入读一行，搜索对应表和字符串匹配，匹配则执行对应的函数。

实现代码见shell.c shell.h shell_func.c shell_func.h测试输入help回车打印如下：

九.ADC采集音频

使用如下麦克风采集模块ADC采集信号。

参考电压为3.3V

配置ADC配置P001为ADC的CH1

添加相关代码

配置属性

生成工程   添加adc.c和adc.h代码测试

#include"adc.h"

初始化

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adc_init();
staticuint16_tadcbuffer[1024]={0};

循环调用

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adc_read(adcbuffer, 1024);
for(uint32_ti=0;i<1024; i++)  
           {           xprintf("/*%d*/
",adcbuffer);  
           }

也可以添加命令行采集Shell_func.h中

void ADCFun(void* param);

Shell_func.c中

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#include "adc.h"
  { (const uint8_t*)"adc",         ADCFun,         "adc"},                    /*ADC采集*/

十、ADC可视化(虚拟示波器)

通过串口将采集的数据发送到PC，PC端使用可视化上位机进行可视化，即实现了虚拟示波器的应用。

十一、DSP算法库

添加DSP算法库使用的是CMSIS-DSP的算法库

添加的代码如下

十二、FFT谐波分析(电能质量分析)

12.1FFT算法

我们可以使用fft算法对原始数据尽心分析，得到谐波，直流量，相位，频率，幅值等信息，以进行电能质量分析，噪声分析等各种应用。

12.2添加命令行

添加命令行参数Shell_func.h中

void FftFun(void* param);

Shell_func.c中

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#include "fft.h"
{(constuint8_t*)"ft",FftFun,"fft"},/*fft分析*/


void FftFun(void* param)
{
        int num;
        if(1 == sscanf(param,"%*s %d",&num))
  {
                while(num--)
    {
                        fft_test();
                }
        }
}

12.3代码

Fft.c fft.h见git

12.4测试

上位机输入fft 10即进行10次采样分析效果如下

十三、噪声检测与分析

我们也可以将开发板打造为噪声监测分析仪，对于噪声首先关心的就是其大小，我们可以实时采集声音并通过算法检测出极大值，最终换算成相对基准功率的噪声分贝值。同时也可以通过命令行控制何时进行采样分析，和其他功能是独立的，可以单独调用，集成在一起作为工具集供调用。当然也可以进行噪声的谐波等分析，和前面的点那个质量谐波分析等一样。

13.1 极大值检测算法
极大值检测算法参见：

https://www.mdpi.com/1999-4893/5/4/588/htm

13.2 添加命令行

添加命令行参数Shell_func.h中

void MaxFun(void* param);

Shell_func.c中

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#include "max.h"
  { (const uint8_t*)"max",         MaxFun,         "max"},                    /*极值检测*/


void MaxFun(void* param)
{
        int num;
        if(1 == sscanf(param,"%*s %d",&num))
  {
                while(num--)
    {
                        max_test();
                }
        }
}

13.3 代码

Max.c max.h详见git

13.4 测试

上位机输入max 10即进行10次采样分析可视化显示如下,黄色线是极大值检测结果，蓝色线是原始数据。

十四、数字滤波器

14.1 IIR滤波器

DSP算法库中提供了很多滤波算法，我们这里将IIR添加到我们的工具集中进行演示。

14.2 添加命令行

添加命令行参数Shell_func.h中

voidIirFun(void*param);

Shell_func.c中

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#include "iir.h"
  { (const uint8_t*)"iir",         IirFun,         "iir"},                    /*滤波分析*/




void IirFun(void* param)
{
        int num;
        if(1 == sscanf(param,"%*s %d",&num))
  {
                while(num--)
    {
                        iir_test();
                }
        }
}

14.3代码

Iir.c iir.h详见git

14.4测试

上位机输入iir 10即进行10次采样分析可视化显示如下,黄色线滤波结果，蓝色线是原始数据。

十五、相位频率幅值分析(频率计等)

15.1相位分析

FFT计算结果，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。

15.2添加命令行

添加命令行参数Shell_func.h中

VoidFrqFun(void*param);

Shell_func.c中

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#include "frq.h"
  { (const uint8_t*)"frq",         FrqFun,         "frq"},                    /*相位分析*/




void FrqFun(void* param)
{
        int num;
        if(1 == sscanf(param,"%*s %d",&num))
  {
                while(num--)
    {
                        Frq_test();
                }
        }
}

15.3 代码

Frq.c frq.h详见git

15.4 测试

上位机输入frq 10即进行10次采样分析

十六、总结

本开发板性能资源比较丰富,特别适合开发和验证等。本文基于该开发板实现了信号处理前端，实现了虚拟示波器、噪声分析仪、电能质量分析仪、数字滤波器等功能的集合，并且可以方便的快速添加更多的应用。可以基于CLI调用方便脚本化使用，可以使用上位机可视化，是一个瑞士军刀类型的工具集。目前支持的CLI命令如下，可以快速扩展更多应用。

审核编辑：汤梓红