1、概述

本篇介绍了以STM32F103单片机为核心的频谱分析和波形识别系统，并对其硬件组成和软件设计做了详细讲解。该系统通过STM32F103ZET6主控芯片进行ADC采样，再使用DSP库提供的FFT函数对采集到的信号进行处理，最后将输入信号的频谱图显示在TFTLCD液晶屏上，同时显示波形相关参数以及波形种类。

2、硬件设计

该装置由于是直接使用单片机开发板进行二次开发，所用单片机的芯片引脚图如下图3-2所示。因此整体上硬件较为简单。硬件主要包括信号发生器，正点原子精英板，4.3’TFTLCD，两根杜邦线，我选择使用PC1引脚接信号发生器的输出，作为该系统的输入信号，另一根杜邦线接信号发生器的GND。

本系统以STM32F103单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对开关的响应、发送指令等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。接入信号发生器后，单片机内部自带的ADC进行采样，经过FFT变换后变成频谱图显示在液晶屏上。系统主要包括主控器STM32F103ZET6，数模转换电路，LCD液晶屏显示电路，晶振电路以及外加复位电路组成。本设计的特点是装置一体化，外接输入信号后，便可直接经过单片机处理，实时显示频谱图以及相关参数，真正做到一步到位。

3、软件设计

该系统软件程序主要实现的就是对输入波形进行采样，然后通过FFT函数对采集到的信号进行处理，最后量化、频谱显示。还有一点就是分析不同输入信号在频域上的特征，利用该特征进行波形识别。

我直接使用了DSP库里面有FFT函数库，主要调用了里面的几个函数进行频谱分析，例如GetPowerMag()函数，其作用就是提取各次谐波的频率和对应的幅值，效率非常高，使用也方便，直接调用库函数即可。

至于波形识别的原理则是根据不同波形的特点来区分。正弦波只有基波分量，基本无谐波分量；方波除了基波，还有3，5，7次谐波分量，且3次谐波分量为基波分量的1/3；三角波除了基波，还有3，5，7次谐波分量，且3次谐波分量为基波分量的1/9；锯齿波除了基波，还有2，3，4次谐波分量，不同波形的特征分析如下图所示。

主函数

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "timer.h"
#include "stm32_dsp.h"
#include "lcd.h"
#include "adc.h"
#include "fft.h"/*   AD采样引脚：PC1      */
/*   采样频率  ：2000Hz   */
/*   幅度3.0VPP  Z直流偏移量1.5V */int main(void){int i;delay_init();           //延时函数初始化    uart_init(115200);    LCD_Init();TIM1_Int_Init(500-1,72-1);//2000Hz的采样频率//TIM1_Int_Init(1000-1,30-1);//2400Hz的采样频率//TIM1_Int_Init(74,4);    //192KHz采样频率（72MHz/5=14.4MHz,计数到75，定时为5/72M*75=1/192K）//TIM1_Int_Init(75-1,150-1);    //9.6kHz采样频率（72MHz/5=14.4MHz,计数到150，定时为5/72M*75=1/9.6K）ADC1_Configuration();   //ADC初始化DMA_Configuration();    //DMA初始化//InitBufInArray2();//测试用的LCD_Clear(BLACK);while(1){for(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT);    GetPowerMag();lcd_show_fft(lBufMagArray);lcd_print_fft(lBufMagArray);}
}

fft.c

#include "fft.h"
#include "math.h"
#include "lcd.h"
#include "delay.h"
u32 lBufInArray[NPT];
u32 lBufOutArray[NPT];
u32 lBufMagArray[NPT];
u32 lBUFPHASE[NPT];
float PI2=6.28318530717959;
float PI=3.14159265358979;
u32 Fs=2000;
/******************************************************************
函数名称:InitBufInArray()
函数功能:模拟采样数据，采样数据中包含3种频率正弦波
参数说明:
备    注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
*******************************************************************/
void InitBufInArray(void)
{unsigned short i;float fx;                                       //Fn=i*Fs/NPT        //由于此处i是从0开始的，所以不需要再减1for(i=0; i<NPT; i++)                            //频率分辨率Fs/1024=187.5Hz,所以每一个i就代表187.5Hz{                                               //因为采样频率=Fs，所以屏幕上的一个格子的长度代表(1/Fs)秒fx = 1000 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +     //2pi*f*t=2pi*i*f1/Fs,那么f=f13000 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +4000 * sin(PI2 * i * 10000.0 / Fs);lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;}
} void InitBufInArray2(void)
{unsigned short i;float fx;for(i=0; i<NPT; i++){fx = 4000 * sin(PI2 * i * 375.2 / Fs) +1000 * sin(PI2 * i * 564.7 / Fs) +1500 * sin(PI2 * i * 937.1 / Fs)+1000;   //加了1000只是直流分量加了1000，其他都不变lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;}
}
/******************************************************************
函数名称:GetPowerMag()
函数功能:计算各次谐波幅值                          short 的范围，是-32767 到 32767 。也就是 -(2^15 - 1)到(2^15 - 1)。
参数说明:
备　　注:先将lBufOutArray分解成实部(X)和虚部(Y)，然后计算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)
*******************************************************************/
void GetPowerMag(void)
{signed short lX,lY;                                                  //算频率的话Fn=i*Fs/NPT       //由于此处i是从0开始的，所以不需要再减1float X,Y,Mag;                                                      unsigned short i;for(i=0; i<NPT/2; i++)                                                  //经过FFT后，每个频率点处的真实幅值  A0=lBufOutArray[0]/NPT{                                                                       //                                 Ai=lBufOutArray[i]*2/NPTlX  = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;  //lX  = lBufOutArray[i];lY  = (lBufOutArray[i] >> 16);X = NPT * ((float)lX) / 32768;//除以32768再乘65536是为了符合浮点数计算规律,不管他Y = NPT * ((float)lY) / 32768;Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;if(i == 0)lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);   //0Hz是直流分量，直流分量不需要乘以2elselBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);}
}void PowerPhase(u16 nfill){unsigned short i;signed short lX,lY;  for (i=0; i < NPT/2; i++){lX= (lBufOutArray[i]<<16)>>16; /* 取低16bit，sine_cosine --> cos */lY= (lBufOutArray[i] >> 16);   /* 取高16bit，sine_cosine --> sin */    {float X=  NPT*((float)lX)/32768;float Y = NPT*((float)lY)/32768;float phase = atan(Y/X);if (Y>=0){if (X>=0);elsephase+=PI;  }else{             if (X>=0)phase+=PI2;                  else phase+=PI;                    }                            lBUFPHASE[i] = phase*180.0/PI;}    }
}void lcd_show_fft(unsigned int *p)
{unsigned int *pp = p+1;             //p+1相当于我直接把0HZ部分滤掉了unsigned int i = 0;for(i = 0;i<480;i++){//分辨率hz//每个小矩形宽度为1，其实这里没有显示完所有的//512个值，频率可达到 Hz    //0.11是我根据屏幕显示高度调整的一个值,频谱闪的话记得改这个值！！！！！ 320*240屏幕        320*=780LCD_Fill(0,        i, *pp*0.11, (i+1), RED);     //有效部分白色       LCD_Fill(*pp*0.11, i, 270,       (i+1), BLACK);   //其他就黑色pp++;}}
/***********************************************
找最大值，次大值……对应的频率，分析波形
*************************************************/
void select_max(float *f,float *a)
{int i,j;float k,k1,m;float aMax =0.0,aSecondMax = 0.0,aThirdMax = 0.0,aFourthMax=0.0;float fMax =0.0,fSecondMax = 0.0,fThirdMax = 0.0,fFourthMax=0.0;int nMax=0,nSecondMax=0,nThirdMax=0,nFourthMax=0;for ( i = 1; i < NPT/2; i++)//i必须是1，是0的话，会把直流分量加进去！！！！{if (a[i]>aMax){aMax = a[i]; nMax=i;fMax=f[nMax];}}for ( i=1; i < NPT/2; i++){if (nMax == i){continue;//跳过原来最大值的下标，直接开始i+1的循环}if (a[i]>aSecondMax&&a[i]>a[i+1]&&a[i]>a[i-1]){aSecondMax = a[i]; nSecondMax=i;fSecondMax=f[nSecondMax];}}for ( i=1; i < NPT/2; i++){if (nMax == i||nSecondMax==i){continue;//跳过原来最大值的下标，直接开始i+1的循环}if (a[i]>aThirdMax&&a[i]>a[i+1]&&a[i]>a[i-1]){aThirdMax = a[i]; nThirdMax=i;fThirdMax=f[nThirdMax];}}for ( i=1; i < NPT/2; i++){if (nMax == i||nSecondMax==i||nThirdMax==i){continue;//跳过原来最大值的下标，直接开始i+1的循环}if (a[i]>aFourthMax&&a[i]>a[i+1]&&a[i]>a[i-1]){aFourthMax = a[i]; nFourthMax=i;fFourthMax=f[nFourthMax];}}POINT_COLOR=WHITE;    //画笔颜色BACK_COLOR=BLACK;  //背景色 LCD_ShowFloat4(270,0,fMax,4,24);LCD_ShowFloat3(270,16*2,aMax,4,24);LCD_ShowFloat4(270,16*5,fSecondMax,4,24);LCD_ShowFloat3(270,16*7,aSecondMax,4,24);LCD_ShowFloat4(270,16*10,fThirdMax,4,24);LCD_ShowFloat3(270,16*12,aThirdMax,4,24);LCD_ShowFloat4(270,16*15,fFourthMax,4,24);LCD_ShowFloat3(270,16*17,aFourthMax,4,24);k=fabs(2*fMax-fSecondMax);k1=fabs(3*fMax-fSecondMax);m=fabs((float)(aMax-3.0*aSecondMax));
//      LCD_ShowFloat3(270,370,k,4,24);
//      LCD_ShowFloat3(270,400,k1,4,24);
//      LCD_ShowFloat3(270,430,m,4,24);POINT_COLOR=RED;    //画笔颜色if(k<=5)LCD_ShowString(270,340,24*4,24,24,"Sawtooth");else if(k1<=5&&m<0.3) LCD_ShowString(270,340,24*4,24,24," Square ");else if(k1<=5&&m>=0.3)LCD_ShowString(270,340,24*4,24,24,"triangle");else LCD_ShowString(270,340,24*4,24,24,"  Sine  ");
}void lcd_print_fft(unsigned int *p)
{unsigned int *pp = p;             //p+1相当于直接把0HZ部分滤掉了(改成了不过滤)unsigned int i = 0,j = 0;float f[NPT/2]={0.00},a[NPT/2]={0.00};for(i=0;i<NPT/2;i++){if(*pp>80)//看情况调，若是数字太跳就调大,把小的幅值过滤，以防干扰{f[j]=(float)i*Fs/NPT;//LCD_ShowFloat4(0,j*12,f[j],6,12);a[j]=(float)*pp*(3.3/4096);//LCD_ShowFloat4(100,j*12,a[j],2,12);j++;}pp++;}select_max(f,a);
}

adc.c

#include <stdio.h>
#include "string.h"
#include "adc.h"
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "lcd.h"
#include "stm32_dsp.h"
#include "fft.h"u16 ADC_Value[NPT];void ADC1_Configuration(void)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE ); //使能 ADC1 通道时钟，各个管脚时钟RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //72M/6=12,ADC 最大时间不能超过 14MRCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_1;//PC1 作为模拟通道输入引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入引脚GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);ADC_DeInit(ADC1); //将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC1 和 ADC2工作在独立模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode =DISABLE; //模数转换工作在扫描模式ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode =DISABLE; //模数转换工作在连续转换模式ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;           //Timer1触发转换开启！！！！！！(定时器T1的CC1通道，控制采样频率)ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC 数据右对齐ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的 ADC 通道的数目ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根据 ADC_InitStruct 中指定的参数初始化外设ADCx 的寄存器ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_11, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5 );ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);   //外部触发   ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);// 开启 ADC 的 DMA 支持（要实现 DMA 功能，还需独立配置 DMA 通道等参数）ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1ADC_ResetCalibration(ADC1); //复位指定的 ADC1 的校准寄存器while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //获取 ADC1 复位校准寄存器的状态,设置状态则等待ADC_StartCalibration(ADC1); //开始指定 ADC1 的校准状态while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //获取指定 ADC1 的校准程序,设置状态则等待
}void DMA_Configuration(void)
{DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);DMA_DeInit(DMA1_Channel1); //将 DMA 的通道 1 寄存器重设为缺省值DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&ADC1->DR; //DMA 外设 ADC 基地址DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)&ADC_Value; //DMA 内存基地址DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //内存作为数据传输的目的地DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = NPT; //DMA 通道的 DMA 缓存的大小（1024）DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址寄存器不变DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址寄存器递增DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //数据宽度为 16 位DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16 位DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //工作在循环缓存模式DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA 通道 x 拥有高优先级DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //DMA 通道 x 没有设置为内存到内存传输DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure); //根据 DMA_InitStruct 中指定的参数初始DMA 的通道/*  因为要显示刷屏，所以没用DMA中断  */
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
//  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
//  DMA_ITConfig(DMA1_Channel1, DMA_IT_TC , ENABLE);       //开启转换完成中断DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
}/*  因为要显示刷屏，所以没用DMA中断  */
void ADC1_DMA1_IT_Hander(void)
{int i;if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1)){for(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}}DMA_ClearITPendingBit(DMA1_FLAG_TC1);
}

4、测试结果

实验数据分析

参数波形	基波频率理论值	基波频率测量值	2次谐波频率量值	3次谐波频率测量值	4次谐波频率测量值	5次谐波频率测量值	7次谐波频率测量值	基波频率测量误差Δ
Sine	90	89.84	0	0	0	0	0	0.17%
Square	120	119.14	0	359.37	0	599.60	839.84	0.71%
Triangle	120	119.14	0	359.37	0	0	0	0.71%
Sawtooth	200	199.21	400.39	599.60	800.78	0	0	0.39%

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1、概述

2、硬件设计

3、软件设计

4、测试结果

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