3.3數字濾波信號前端

原理

CMSIS-DSP提供直接I型IIR庫支持Q7，Q15，Q31和浮點四種數據類型。其中Q15和Q31提供了快速版本。

直接I型IIR濾波器是基于二階Biquad級聯的方式來實現的。每個Biquad由一個二階的濾波器組成：

y[n] = b0 * x[n] + b1 * x[n-1] + b2 * x[n-2] + a1 * y[n-1] + a2 * y[n-2]

直接I型算法每個階段需要5個系數和4個狀態變量。

y[n] = b0 * x[n] + b1 * x[n-1] + b2 * x[n-2] - a1 * y[n-1] - a2 * y[n-2]

matlab使用上面的公式實現，在使用fdatool工具箱生成的a系數需要取反才能用于直接I型IIR濾波器的函數中。

高階IIR濾波器的實現是采用二階Biquad級聯的方式來實現的。其中參數numStages就是用來做指定二階Biquad的個數。比如8階IIR濾波器就可以采用numStages=4個二階Biquad來實現。

如果要實現9階IIR濾波器就需要將numStages=5，這時就需要其中一個Biquad配置成一階濾波器(也就是b2=0，a2=0)。

添加命令行

shell_fun.h中

void IirFun(void* param);

shell_fun.c中

#include "iir.h"

shell_cmd_list中添加一行

{ (const uint8_t*)"iir",         IirFun,           “iir"},

添加命令執行函數

void IirFun(void* param)

{

Iir_main();

}

實現代碼

Iir.c

#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"
#include < stdio.h >

#define TEST_LENGTH_SAMPLES 2048
#define FS 10000

extern float32_t testInput_f32_10khz[TEST_LENGTH_SAMPLES];
static float32_t testOutput[TEST_LENGTH_SAMPLES];


static uint32_t fftSize = 1024;
static uint32_t ifftFlag = 0;
static uint32_t doBitReverse = 1;
static arm_cfft_instance_f32 varInstCfftF32;

static int testIndex = 0;

static float testtmp_f32_10khz[2048];
static int32_t adcbuffer[2048];


#define numStages  2                /* 2階IIR濾波的個數 */
#define BLOCK_SIZE           128    /* 調用一次arm_biquad_cascade_df1_f32處理的采樣點個數 */


uint32_t blockSize = BLOCK_SIZE;
uint32_t numBlocks = TEST_LENGTH_SAMPLES/BLOCK_SIZE;      /* 需要調用arm_biquad_cascade_df1_f32的次數 */
static float32_t IIRStateF32[4*numStages];                      /* 狀態緩存 */

/* 巴特沃斯低通濾波器系數 80Hz*/
const float32_t IIRCoeffs32LP[5*numStages] = {
    1.0f,  2.0f,  1.0f,  1.479798894397216679763573665695730596781f,
-0.688676953053861784503908438637154176831f,

    1.0f,  2.0f,  1.0f,  1.212812092620218384908525877108331769705f,
-0.384004162286553540894828984164632856846f
};

int32_t iir_main(void)
{
    uint32_t i;
    arm_biquad_casd_df1_inst_f32 S;
    float32_t ScaleValue;
    float32_t  *inputF32, *outputF32;

    /* 初始化輸入輸出緩存指針 */

    //memcpy(testtmp_f32_10khz,testInput_f32_10khz,sizeof(testInput_f32_10khz));
#if 1
    adc_samp(adcbuffer,2048);
    for(int i=0; i< 2048;i ++)
   {
  	  testtmp_f32_10khz[i] = (float)adcbuffer[i];
    }
#endif
    inputF32 = testtmp_f32_10khz;
    outputF32 = testOutput;

    /* 初始化 */
    arm_biquad_cascade_df1_init_f32(&S, numStages, (float32_t *)&IIRCoeffs32LP[0],
(float32_t *)&IIRStateF32[0]);

    /* 實現IIR濾波，這里每次處理1個點 */
    for(i=0; i < numBlocks; i++)
    {
        arm_biquad_cascade_df1_f32(&S, inputF32 + (i * blockSize),  outputF32 + (i * blockSize),
  blockSize);
    }

    /*放縮系數 */
    ScaleValue = 0.012f* 0.42f;

    /* 打印濾波后結果 */
    for(i=0; i< TEST_LENGTH_SAMPLES; i++)
    {
        printf("/*%f, %f*/rn", testtmp_f32_10khz[i], testOutput[i]*ScaleValue);
    }


}

 /** endlink */

Iir.h

#ifndef IIR_H
#define IIR_H

int iir_main(void);

#endif

測試

輸入iir回車，查看波形

見視頻

以下可以看到濾波導致了滯后，黃色線有滯后

以下是實時采集濾波

審核編輯：湯梓紅