一種在STM32應用FIR濾波器的設計與實現

龍吉

摘 要：STM32微控制器是ST公司面向嵌入式應用領域開發的微控制器，它具有很高的性價比，由于內核不同，它的產品種類也不同，本文主要針對STM32F4x系列，利用ST公司的DSP函數庫實現在STM32上運行有限單位沖激響應濾波器（FIR）的設計方法，實踐表明，STM32F407在開啟浮點運算后可以流暢運行FIR，滿足微處理器對傳感器信號進行濾波的要求。

關鍵詞：STM32微控器;FIR濾波器;設計

0 引言

在小型的嵌入式應用系統當中，微控制器的主要作用不僅是協調、控制各個外圍電路工作，有些系統還需要微控制器運算一些算法，簡單而有效的算法或者數字濾波器可以替代純硬件電路，具有硬件電路少、成本低、故障率低的優點，但是有些算法規模和復雜程度較大，一般的微控制器如8位、16位微控制器偏重于實時控制、寄存器較多，浮點運算能力很弱運行起來就顯得特別吃力，而現階段ST公司推出的STM32微控制器性能較為強勁，在保證實時性的情況下，也可以運行一些大型的數字濾波器和算法。

1 STM32F407微控制器

STM32F407是一種基于ARM cortex-M4內核的高性能微處理器，它是STM32F4系列的中高端產品，具備168MHz主頻下達到210DMIPS的性能，內置1MB閃存和192KB的SRAM。其內部資源比較豐富，具有2個USB2.0的OTG，3個快速轉換的12位ADC，相比上一代ARM cortex-M3內核產品，STM32F407微控制器集成了單周期的DSP指令集和浮點運算單元FPU，大大提高了微控制器在浮點運算的計算能力，配合ST公司專為STM32微控制器開發的庫函數，可以運行大型數學運算，提升了微控制器的執行效率和運行速度，節約項目開發成本和開發時間。

2 FIR濾波器

在嵌入式應用領域中，微控制器不僅僅需要對傳感器信號進行采集然后送入A/D轉換器進行處理，還要針對處理結果控制外圍設備。在這個過程中，對于傳感器信號進行采集、濾波處理一般由外圍電路組成，如常用的巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等，把經過濾波處理過的信號送入A/D轉換器，可以獲得準確度較高的數據。而在實際應用中，某些外界因素對傳感器的影響會使檢測的模擬信號受到干擾，而這些干擾信號是可以利用數字濾波器濾除的，目前應用比較多的數字濾波器是無限沖激響應濾波器（IIR）和有限沖激響應濾波器（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是無限持續的，有不容易被設計的缺點。而FIR濾波器不具有輸入反饋，即輸出值只取決于當前和過去的輸入值，容易被設計，但是同樣功能的FIR濾波器相比IIR濾波器要復雜很多，系數更多，給原本就負擔較重和實時性要求較高的微控制器增加致命的計算量，使系統的實時性降低。所以一些采用數字濾波器的系統，都會將計算數字濾波器的工作量交給其他微處理器運行，如DSP或者FPGA，所以，本文主要提出一種采用STM32F407微控制器運行FIR濾波器的設計方案，在運行一定量的采樣率和階數的FIR下保證系統實時性，滿足控制系統的要求。

3 庫函數中的FIR濾波器設計方法

要在STM32F407上利用DSP庫運行FIR，首先需要利用Matlab的工具箱FDATOOL設計FIR濾波器，然后生成濾波器所需的系數，為了增強其運算性能，還需要在程序中添加開啟FPU的命令。

本設計利用Matlab設計一個帶阻濾波器，所濾波信號由10Hz和100Hz信號組成，截止頻率50Hz，采樣率為1000Hz。為了更好的檢測信號，防止能量泄露，FIR選擇窗函數、hamming窗減少旁瓣，由于DSP庫中的FIR濾波器系數必須是4的倍數，所以選擇200階。設計好FIR濾波器后生成系數，保存為數組形式或者頭文件形式等待移植。

DSP庫中的FIR函數支持Q7、Q15、Q31和浮點四種數據類型，需要用到arm_fir_f32（）函數，這個函數可以在DSP_Lib＼Source＼FilteringFunctions文件夾中的arm_fir_32.c找到，在使用函數前需要對該函數中的參數定義有所了解。

階數越高，系數越復雜，STM32F407的運算時間越長。一般來講，開啟FPU后的STM32F407運行200階左右的FIR濾波器運算時間為毫秒級，是可以保證實時性的。

4 ?開啟FPU的方法

早期的STM32F4xx固件庫中的system_stm32f4xx.c文件默認禁用FPU的，即在CMSIS中沒有定義FPU，雖然文件中添加了FPU相關代碼，但是利用MDK編譯器執行過程中會產生錯誤，為保證系統準確運行，可以在system_init（）函數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，但是都需要對各個相關文件進行設置，只需根據相應的#define命令查找定義即可設置，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雜運算就大大的提升效率了，這里還需要對ARM處理器的math.h頭文件進行替換，因為math.h頭文件中的運算函數都是基于定點處理器和IEEE-754標準來運行的，想要提升微控制器的運算性能，還需要STM32固件庫中的優化函數來解決，即包含arm_math.h頭文件即可。以上兩個設置都需要在工程選項中的C/C++加入define命令：

__FPU_PRESENT=1，__FPU_USED =1

ARM_MATH_CM4

5 結論

通過Matlab運行FDATOOL工具箱來設計FIR濾波器，可以

節省很大一部分時間，對于STM32F407開啟FPU后運行FIR濾

波器能夠在保證精度的情況下具有很好的實時性，在工業控制當中很實用，特別在小型的嵌入式應用系統開發應用中更具競爭實力。