2018年电赛A题 软件部分 STM32 FFT 时域到频域 STM32cubeMX HAL_200hz采样速度,要求用定时器控制,时间要准

2018年电赛A题 软件部分 STM32 FFT 时域到频域 STM32cubeMX HAL

A题：电流信号检测装置

软件部分（STM32cubeMX+HAL）

题目要求：任意波信号发生器输出非正弦信号时，基波频率范围为50Hz~200Hz，测量电流信号基波频率，频率测量精度优于1%；测量基波及各次谐波分量的幅度（振幅值），电流谐波测量频率不超过1kHz，测量精度优于5% 。

实现方式：利用STM32单片机内置ADC对待测信号进行采集，ADC采用DMA传输，用定时器控制ADC采样频率，然后用ST官方提供的DSP库进行运算，运算完之后对频谱进行分析。

理论基础

对于初学者来说，不了解FFT算法是很正常的，但是ST官方提供了DSP库，我们直接拿过来用就可以了，不用去学算法的具体内容。
为了便于对运算后的频谱进行分析，我们需要明确一下几个概念：

$$\begin{gathered} f_{adc}：ADC的采样频率 \\ N：采样点数 \\ {f}_k：频率分辨率 \end{gathered}$$
$$f_k=\frac{f_{adc}}{N}$$

eg:ADC的采样频率通过定时器控制为10240Hz
采样点数为1024（只能为4的整数次方，博主一般用1024或4096）
那么可得频率分辨率为$$f_k=\frac{10240}{1024}=10$$
即FFT运算后的频谱每个横坐标为10Hz，就可以理解为第0个数是频率为0的幅值，第1个数为频率为10的幅值，第2个数为频率为20的幅值。

单片机外设的配置

1.配置时钟，外部高速时钟选择晶振，APB2定时器时钟配置为128MHz，注意，后面有用到

2.配置ADC和DMA，如下图所示：

3.定时器配置

由此可得到ADC的采样频率
$$f_{adc}=\frac{128Mhz}{(49+1)(624+1)}=4096Hz$$
那么到这里外设配置就结束了，可以根据自己的需求自行配置UART，这里就不作展示了。

DSP库的移植

用STM32进行FFT运算主要会用到以下文件，博主已经为大家整理好了，大家可以直接去下载我的例程：链接: https://download.csdn.net/download/qq_53214662/87728832


将以上头文件（.h）和库文件（.lib）添加进工程就可以使用了
这里放上我的源码

main.c。

#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "dma.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include "stdio.h"
#include "arm_math.h"

#define FFT_LENGTH 4096

void SystemClock_Config(void);

int fputc(int ch,FILE*f)
	{ 
		HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,10);
		return ch;
	}

float fft_inputbuf[FFT_LENGTH*2];
float fft_outputbuf[FFT_LENGTH];
uint16_t AD_value[FFT_LENGTH]={0};
float Harmonic_Amplitude[19]={0,0};
uint16_t Harmonic_Frequency[19]={0,0};

uint16_t i=0,n=0,j=0,k=0;
float Fundamental_wave=0;
uint16_t Fundamental_wave_f=0;
int main(void)
{
  HAL_Init();

  SystemClock_Config();


  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_TIM8_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  
	HAL_TIM_Base_Start(&htim8);
	HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,(uint32_t *)AD_value,FFT_LENGTH);
	HAL_Delay(2000);
	for(i=0;i<FFT_LENGTH;i++)
	{
			fft_inputbuf[2*i]=AD_value[i];
			fft_inputbuf[2*i+1]=0;	//虚部全部为0
	}
	
	arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;	//声明结构体变量
	arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化
	arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf);//傅里叶计算
	HAL_Delay(1000);
	arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH); 	            //取模得幅值
	HAL_Delay(1000);
	for(i=45;i<205;i++)
	{
		if(fft_outputbuf[i]>Fundamental_wave)
		{
			Fundamental_wave=fft_outputbuf[i];
			Fundamental_wave_f=i;
		}
	}
	
	
	
	for(n=2;n<=20;n++)
	{
		if(n*Fundamental_wave_f>1000)break;
		for(k=n*Fundamental_wave_f-5;k<n*Fundamental_wave_f+5;k++)
		{
			if(fft_outputbuf[k]>Harmonic_Amplitude[n-2])
			{
				Harmonic_Amplitude[n-2]=fft_outputbuf[k];
				Harmonic_Frequency[n-2]=k;
			}
		}
	}

  while (1)
  {
		//幅值
		printf("page0.x0.val=%d\xff\xff\xff",(int)(Fundamental_wave/2048*3300/4095*10));

		//频率
		printf("page0.x10.val=%d\xff\xff\xff",(int)(Fundamental_wave_f*10));

  }
}


void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};


  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 128;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */

  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

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根据输出数组fft_outputbuf里面的值就可得到我们想要的基波及其谐波的赋值和频率了，如果在使用过程中有什么问题欢迎私信博主。