基于infineonPSOC62开发板的-信号处理前端虚拟示波器-工具集-电子发烧友网

一、前言

本项目基于英飞凌 PSoC 6 RTT开发板实现了信号处理前端-一个信号处理的工具集。

包括虚拟示波器，音频采集分析，谐波分析，周期幅值相位分析，数字滤波，极值检测，可上位机可视化和命令行人机交互，可以方便继续扩展相关功能，继续丰富工具集。

视频:https://www.bilibili.com/video/BV1PM4y147v1/

代码仓库:https://gitee.com/qinyunti/infineon-psoc62.git

二、移植DSP 算法库

2.1添加代码

git clone https://github.com/ARM-software/CMSIS_5.git

CMSIS_5CMSISDSP下是相关文件，Source下是源码

将DSP文件夹复制到自己的工程目录中，只保留

Include，PrivateInclude，Source三个文件夹

Source下的每个子文件夹都是一类算法，里面的每个c都对应一个计算函数，并且有一个总文件包括其中所有的单个.c，比如BasicMathFunctions.c中

删除这些总的.c，避免编译重复

删除以下文件和所有的非.c和.h文件

1BasicMathFunctions:BasicMathFunctions.c,BasicMathFunctionsF16.c 2BayesFunctions:BayesFunctions.c,BayesFunctionsF16.c 3CommonTables:CommonTables.c,CommonTablesF16.c 4ComplexMathFunctions:ComplexMathFunctions.c,ComplexMathFunctionsF16.c 5ControllerFunctions:ControllerFunctions.c 6DistanceFunctions:DistanceFunctions.c,DistanceFunctionsF16.c 7FastMathFunctions:FastMathFunctions.c,FastMathFunctionsF16.c 8FilteringFunctions:FilteringFunctions.c,FilteringFunctionsF16.c 9InterpolationFunctions:InterpolationFunctions.c,InterpolationFunctionsF16.c 10MatrixFunctions:MatrixFunctions.c,MatrixFunctionsF16.c 11QuaternionMathFunctions:QuaternionMathFunctions.c 12StatisticsFunctions:StatisticsFunctions.c,StatisticsFunctionsF16.c 13SupportFunctions:SupportFunctions.c,SupportFunctionsF16.c 14SVMFunctions:SVMFunctions.c,SVMFunctionsF16.c 15TransformFunctions:TransformFunctions.c,TransformFunctionsF16.c,arm_bitreversal2.S

工程设置添加相关头文件包含路径

2.2测试

复制CMSIS_5CMSISDSPExamplesARMarm_fft_bin_example下的arm_fft_bin_data.c和arm_fft_bin_example_f32.c到自己的工程目录

arm_fft_bin_example_f32.c下的

int32_t main(void)改为int32_t ffttest_main(void)

并添加#define SEMIHOSTING以使能printf打印，我们已经重定向实现了printf打印到串口。

由于 arm_cfft_f32(&varInstCfftF32, testInput_f32_10khz, ifftFlag, doBitReverse);会修改testInput_f32_10khz的内容，所以添加一个缓存，以便能重复测试

1float32_ttesttmp_f32_10khz[2048]; 2/*ProcessthedatathroughtheCFFT/CIFFTmodule*/ 3memcpy(testtmp_f32_10khz,testInput_f32_10khz,sizeof(testInput_f32_10khz)); 4arm_cfft_f32(&varInstCfftF32,testtmp_f32_10khz,ifftFlag,doBitReverse); 5/*ProcessthedatathroughtheComplexMagnitudeModulefor 6calculatingthemagnitudeateachbin*/ 7arm_cmplx_mag_f32(testtmp_f32_10khz,testOutput,fftSize);

在自己的main函数中申明并调用

int32_t ffttest_main(void)

ffttest_main()

编译运行可以看到串口打印SUCCESS说明测试OK。

将输入输出数据打印

1printf("SUCCESS "); 2for(inti=0;i 3{ 4if(i2) 5{ 6printf("/*%f,%f*/ ",testInput_f32_10khz[i],testOutput[i]); 7} 8else 9{ 10printf("/*%f,%f*/ ",testInput_f32_10khz[i],0.0); 11} 12}

使用serialstudio可视化显示，可以看到计算结果FFT频率明显的峰值

三、音频采集

3.1原理图

从原理图看到有6路模拟输入,分别对应

P10.0~P10.5, VREF为模拟参考电压。

使用的是MAX4466的MIC，接到ADC0，如下图所示

3.2配置模拟采集引脚

3.3代码

Adc.c

1#include"cy_pdl.h" 2#include"cyhal.h" 3#include"cybsp.h" 4#include"cy_retarget_io.h" 5#defineVPLUS_CHANNEL_0(P10_0) 6/*Conversionfactor*/ 7#defineMICRO_TO_MILLI_CONV_RATIO(1000u) 8/*Acquistiontimeinnanosecond*/ 9#defineACQUISITION_TIME_NS(116680u) 10/*ADCScandelayinmillisecond*/ 11#defineADC_SCAN_DELAY_MS(200u) 12/******************************************************************************* 13*EnumeratedTypes 14*******************************************************************************/ 15/*ADCChannelconstants*/ 16enumADC_CHANNELS 17{ 18CHANNEL_0=0, 19NUM_CHANNELS 20}adc_channel; 21/******************************************************************************* 22*GlobalVariables 23*******************************************************************************/ 24/*ADCObject*/ 25cyhal_adc_tadc_obj; 26/*ADCChannel0Object*/ 27cyhal_adc_channel_tadc_chan_0_obj; 28/*DefaultADCconfiguration*/ 29constcyhal_adc_config_tadc_config={ 30.continuous_scanning=false,//ContinuousScanningisdisabled 31.average_count=1,//Averagecountdisabled 32.vref=CYHAL_ADC_REF_VDDA,//VREFforSingleendedchannelsettoVDDA 33.vneg=CYHAL_ADC_VNEG_VSSA,//VNEGforSingleendedchannelsettoVSSA 34.resolution=12u,//12-bitresolution 35.ext_vref=NC,//Noconnection 36.bypass_pin=NC};//Noconnection 37/*Asynchronousreadcompleteflag,usedinEventHandler*/ 38staticboolasync_read_complete=true; 39#defineNUM_SCAN(1000) 40#defineNUM_CHANNELS(1) 41/*Variabletostoreresultsfrommultiplechannelsduringasynchronousread*/ 42int32_tresult_arr[NUM_CHANNELS*NUM_SCAN]={0}; 43staticvoidadc_event_handler(void*arg,cyhal_adc_event_tevent) 44{ 45if(0u!=(event&CYHAL_ADC_ASYNC_READ_COMPLETE)) 46{ 47/*Setasyncreadcompleteflagtotrue*/ 48async_read_complete=true; 49} 50} 51intadc_init(void) 52{ 53/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 54cy_rslt_tresult; 55/*InitializeADC.TheADCblockwhichcanconnecttothechannel0inputpinisselected*/ 56result=cyhal_adc_init(&adc_obj,VPLUS_CHANNEL_0,NULL); 57if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 58{ 59printf("ADCinitializationfai led.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 60CY_ASSERT(0); 61} 62/*ADCchannelconfiguration*/ 63constcyhal_adc_channel_config_tchannel_config={ 64.enable_averaging=false,//Disableaveragingforchannel 65.min_acquisition_ns=ACQUISITION_TIME_NS,//Minimumacquisitiontimesetto1us 66.enabled=true};//SamplethischannelwhenADCperformsascan 67/*Initializeachannel0andconfigureittoscanthechannel0inputpininsingleendedmode.*/ 68result=cyhal_adc_channel_init_diff(&adc_chan_0_obj,&adc_obj,VPLUS_CHANNEL_0, 69CYHAL_ADC_VNEG,&channel_config); 70if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 71{ 72printf("ADCfirstchannelinitializationfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 73CY_ASSERT(0); 74} 75/*Registeracallbacktohandleasynchronousreadcompletion*/ 76cyhal_adc_register_callback(&adc_obj,&adc_event_handler,result_arr); 77/*Subscribetotheasyncreadcompleteeventtoprocesstheresults*/ 78cyhal_adc_enable_event(&adc_obj,CYHAL_ADC_ASYNC_READ_COMPLETE,CYHAL_ISR_PRIORITY_DEFAULT,true); 79printf("ADCisconfiguredinmultichannelconfiguration. "); 80printf("Channel0isconfiguredinsingleendedmode,connectedtothe "); 81printf("channel0inputpin.Provideinputvoltageatthechannel0inputpin "); 82return0; 83} 84intadc_samp(void) 85{ 86/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 87cy_rslt_tresult; 88/*VariabletostoreADCconversionresultfromchannel0*/ 89int32_tadc_result_0=0; 90/*Clearasyncreadcompleteflag*/ 91async_read_complete=false; 92/*Initiateanasynchronousreadoperation.Theeventhandlerwillbecalled 93*whenitiscomplete.*/ 94memset(result_arr,0,sizeof(result_arr)); 95cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,true); 96result=cyhal_adc_read_async_uv(&adc_obj,NUM_SCAN,result_arr); 97if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 98{ 99printf("ADCasyncreadfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 100CY_ASSERT(0); 101} 102while(async_read_complete==false); 103cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,false); 104/* 105*Readdatafromresultlist,inputvoltageintheresultlistisin 106*microvolts.Convertitmillivoltsandprintinputvoltage 107* 108*/ 109for(inti=0;i110{ 111adc_result_0=result_arr[i]/MICRO_TO_MILLI_CONV_RATIO; 112printf("/*%4ld*/ ",(longint)adc_result_0); 113} 114return0; 115}

Adc.h

1#ifndefADC_H 2#defineADC_H 3intadc_init(void); 4intadc_samp(void); 5#endif

Main.c调用

adc_init();

adc_samp();

3.4时钟源

时钟源是100Mhz,12分频=8.33M，满足1.8MHz~18MHz之间的要求

默认是按照8M配置

3.5采样时间

采样前后翻转LED用示波器测量时间

1intadc_samp(void) 2{ 3/*Variabletocapturereturnvalueoffunctions*/ 4cy_rslt_tresult; 5/*VariabletostoreADCconversionresultfromchannel0*/ 6int32_tadc_result_0=0; 7/*Clearasyncreadcompleteflag*/ 8async_read_complete=false; 9/*Initiateanasynchronousreadoperation.Theeventhandlerwillbecalled 10*whenitiscomplete.*/ 11memset(result_arr,0,sizeof(result_arr)); 12cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,true); 13result=cyhal_adc_read_async_uv(&adc_obj,NUM_SCAN,result_arr); 14if(result!=CY_RSLT_SUCCESS) 15{ 16printf("ADCasyncreadfailed.Error:%ld ",(longunsignedint)result); 17CY_ASSERT(0); 18} 19while(async_read_complete==false); 20cyhal_gpio_write_internal(CYBSP_USER_LED,false); 21/* 22*Readdatafromresultlist,inputvoltageintheresultlistisin 23*microvolts.Convertitmillivoltsandprintinputvoltage 24* 25*/ 26for(inti=0;i27{ 28adc_result_0=result_arr[i]/MICRO_TO_MILLI_CONV_RATIO; 29printf("/*%4ld*/ ",(longint)adc_result_0); 30} 31return0; 32}

采样1000次,分别设置采样时间为2uS和1uS对比。

#define ACQUISITION_TIME_NS (2000u)

10.28mS

#define ACQUISITION_TIME_NS (1000u)

9.32mS

10.28-9.32=0.96mS 1000次约1mS，1次刚好是1uS。

而1000次除去采样时间其他时间为8.32mS,即一次8.32uS。

因为前面设置了时钟为8.33MHz, 从前面时序一节可以看到,除去采样时间,其他转换时间等需要14个CLK,所以需要14/8.33uS=1.7uS. 剩余的8.32-1.7为数据搬运，软件处理等时间。

3.6 采样值正确性

1.545V和示波器采集为1.54V差不多是正确的，这里没有高精度的万用表就不对测试精度了，只测试了正确性。

3.7音频采集

一次采集1000次然后串口打印，使用SerialStudio可视化显示

四、信号处理前端

4.1 电能质量,谐波分析

4.1.1添加命令行

在电能检测应用中，电能质量一项分析即谐波分析，谐波分量大，说明电能质量不好，

基于本板信号处理前端也实现了该功能。

shell_fun.h中

1voidFftFun(void*param);

shell_fun.c中

1include"fft.h"

shell_cmd_list中添加一行

1{(constuint8_t*)"fft",FftFun,"fft"},/*打印帮助信息*/

添加命令执行函数

1voidFftFun(void*param) 2{ 3fft_main(); 4}

4.1.2添加实现

Fft.c

1#include"arm_math.h" 2#include"arm_const_structs.h" 3#include 4#defineTEST_LENGTH_SAMPLES2048 5externfloat32_ttestInput_f32_10khz[TEST_LENGTH_SAMPLES]; 6staticfloat32_ttestOutput[TEST_LENGTH_SAMPLES/2]; 7staticuint32_tfftSize=1024; 8staticuint32_tifftFlag=0; 9staticuint32_tdoBitReverse=1; 10staticarm_cfft_instance_f32varInstCfftF32; 11staticinttestIndex=0; 12staticfloattesttmp_f32_10khz[2048]; 13staticint32_tadcbuffer[2048]; 14int32_tfft_main(void) 15{ 16arm_statusstatus; 17float32_tmaxValue; 18status=ARM_MATH_SUCCESS; 19status=arm_cfft_init_f32(&varInstCfftF32,fftSize); 20//memcpy(testtmp_f32_10khz,testInput_f32_10khz,sizeof(testInput_f32_10khz)); 21adc_samp(adcbuffer,2048); 22for(inti=0;i<2048;i++) 23{ 24testtmp_f32_10khz[i]=(float)adcbuffer[i]; 25} 26arm_cfft_f32(&varInstCfftF32,testtmp_f32_10khz,ifftFlag,doBitReverse); 27arm_cmplx_mag_f32(testtmp_f32_10khz,testOutput,fftSize); 28/*CalculatesmaxValueandreturnscorrespondingBINvalue*/ 29arm_max_f32(testOutput,fftSize,&maxValue,&testIndex); 30int32_tout=0; 31for(inti=0;i32{ 33if(i>TEST_LENGTH_SAMPLES/2) 34{ 35out=testOutput[i-TEST_LENGTH_SAMPLES/2]/1024; 36} 37else 38{ 39out=testOutput[i]/1024; 40} 41printf("/*%ld,%ld*/ ",adcbuffer[i],out); 42} 43} 44/**endlink*/

Fft.h

1#ifndefFFT_H 2#defineFFT_H 3intfft_main(void); 4#endif

测试

4.2 周期(频率),幅值，相位分析

4.2.1 原理

FFT变换结果，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。

4.2.2添加命令行

shell_fun.h中

1voidFrqFun(void*param);

shell_fun.c中

include "frq.h"

shell_cmd_list中添加一行

1{(constuint8_t*)"frt",FrqFun,"frq"},

添加命令执行函数

1voidFrqFun(void*param) 2{ 3Frq_main(); 4}

4.2.3实现代码

Frq.c

Frq.h

1#ifndefFRQ_H 2#defineFRQ_H 3intfrq_main(void); 4#endif

4.2.4测试

输入frq开始测试印如下

实时采集测试

此时采集的是音频背景声，噪声很小，所以频率为0

4.3数字滤波信号前端

4.3.1原理

CMSIS-DSP提供直接I型IIR库支持Q7，Q15，Q31和浮点四种数据类型。其中Q15和Q31提供了快速版本。

直接I型IIR滤波器是基于二阶Biquad级联的方式来实现的。每个Biquad由一个二阶的滤波器组成：

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

直接I型算法每个阶段需要5个系数和4个状态变量。

matlab使用上面的公式实现，在使用fdatool工具箱生成的a系数需要取反才能用于直接I型IIR滤波器的函数中。

高阶IIR滤波器的实现是采用二阶Biquad级联的方式来实现的。其中参数numStages就是用来做指定二阶Biquad的个数。比如8阶IIR滤波器就可以采用numStages=4个二阶Biquad来实现。

如果要实现9阶IIR滤波器就需要将numStages=5，这时就需要其中一个Biquad配置成一阶滤波器(也就是b2=0，a2=0)。

4.3.2添加命令行

shell_fun.h中

void IirFun(void* param);

shell_fun.c中

1include"iir.h"

shell_cmd_list中添加一行

1{(constuint8_t*)"iir",IirFun,“iir"},

添加命令执行函数

1voidIirFun(void*param) 2{ 3Iir_main(); 4}

4.3.3实现代码

Iir.c

1#include"arm_math.h" 2#include"arm_const_structs.h" 3#include 4#defineTEST_LENGTH_SAMPLES2048 5#defineFS10000 6externfloat32_ttestInput_f32_10khz[TEST_LENGTH_SAMPLES]; 7staticfloat32_ttestOutput[TEST_LENGTH_SAMPLES]; 8staticuint32_tfftSize=1024; 9staticuint32_tifftFlag=0; 10staticuint32_tdoBitReverse=1; 11staticarm_cfft_instance_f32varInstCfftF32; 12staticinttestIndex=0; 13staticfloattesttmp_f32_10khz[2048]; 14staticint32_tadcbuffer[2048]; 15#definenumStages2/*2阶IIR滤波的个数*/ 16#defineBLOCK_SIZE128/*调用一次arm_biquad_cascade_df1_f32处理的采样点个数*/ 17uint32_tblockSize=BLOCK_SIZE; 18uint32_tnumBlocks=TEST_LENGTH_SAMPLES/BLOCK_SIZE;/*需要调用arm_biquad_cascade_df1_f32的次数*/ 19staticfloat32_tIIRStateF32[4*numStages];/*状态缓存*/ 20/*巴特沃斯低通滤波器系数80Hz*/ 21constfloat32_tIIRCoeffs32LP[5*numStages]={ 221.0f,2.0f,1.0f,1.479798894397216679763573665695730596781f, 23-0.688676953053861784503908438637154176831f, 241.0f,2.0f,1.0f,1.212812092620218384908525877108331769705f, 25-0.384004162286553540894828984164632856846f 26}; 27int32_tiir_main(void) 28{ 29uint32_ti; 30arm_biquad_casd_df1_inst_f32S; 31float32_tScaleValue; 32float32_t*inputF32,*outputF32; 33/*初始化输入输出缓存指针*/ 34//memcpy(testtmp_f32_10khz,testInput_f32_10khz,sizeof(testInput_f32_10khz)); 35#if1 36adc_samp(adcbuffer,2048); 37for(inti=0;i<2048;i++) 38{ 39testtmp_f32_10khz[i]=(float)adcbuffer[i]; 40} 41#endif 42inputF32=testtmp_f32_10khz; 43outputF32=testOutput; 44/*初始化*/ 45arm_biquad_cascade_df1_init_f32(&S,numStages,(float32_t*)&IIRCoeffs32LP[0], 46(float32_t*)&IIRStateF32[0]); 47/*实现IIR滤波，这里每次处理1个点*/ 48for(i=0;i< numBlocks; i++) 49{ 50arm_biquad_cascade_df1_f32(&S,inputF32+(i*blockSize),outputF32+(i*blockSize), 51blockSize); 52} 53/*放缩系数*/ 54ScaleValue=0.012f*0.42f; 55/*打印滤波后结果*/ 56for(i=0;i57{ 58printf("/*%f,%f*/ ",testtmp_f32_10khz[i],testOutput[i]*ScaleValue); 59} 60} 61/**endlink*/

Iir.h

1#ifndefIIR_H 2#defineIIR_H 3intiir_main(void); 4#endif

4.3.4测试

输入iir回车，查看波形

见视频

以下可以看到滤波导致了滞后，黄色线有滞后

以下是实时采集滤波

4.4 极大值检测

在电力等行业,分析电压极值,是一项重要的参数分析，可以分析电压的波动;示波器中也有自动测量极值的功能更。本板作为信号处理前端也实现了该功能。

4.4.1 算法

算法来源于论文https://www.mdpi.com/1999-4893/5/4/588/htm

核心代码如下

1voidampd(int32_t*data,int32_tlen) 2{ 3introw_sum; 4for(intk=1;k<len/2+1;k++) 5{ 6row_sum=0; 7for(inti=k;i<len-k;i++) 8{ 9if((data[i]>data[i-k])&&(data[i]>data[i+k])) 10{ 11row_sum-=1; 12} 13} 14arr_rowsum[k-1]=row_sum; 15} 16intmin_index=argmin(arr_rowsum,len/2+1); 17max_window_length=min_index; 18for(intk=1;k1;k++) 19{ 20for(inti=k;i<len-k;i++) 21{ 22if((data[i]>data[i-k])&&(data[i]>data[i+k])) 23{ 24p_data[i]+=1; 25} 26} 27} 28for(intk=0;k<len;k++) 29{ 30if(p_data[k]==max_window_length) 31{ 32/*极大值*/ 33} 34} 35}

4.4.2 添加命令行

1{(constuint8_t*)"max",MaxFun,"max"},/*打印帮助信息*/ 2voidMaxFun(void*param) 3{ 4max_test(); 5} 6voidMaxFun(void*param);

测试代码如下，串口命令行输入命令max，开始采集ADC值，并计算极值，打印到PC串口通过seraistudio可视化显示

1intmax_test(void) 2{ 3for(inti=0;i<10;i++) 4{ 5memset(p_data,0,sizeof(p_data)); 6//adc_samp(sim_data_buffer,1000); 7sim_data(); 8ampd(sim_data_buffer,sizeof(sim_data_buffer)/sizeof(sim_data_buffer[0])); 9for(intk=0;k<sizeof(sim_data_buffer)/sizeof(sim_data_buffer[0]);k++) 10{ 11if(p_data[k]==max_window_length) 12{ 13/*极大值*/ 14printf("/*%ld,%ld*/ ",sim_data_buffer[k],sim_data_buffer[k]); 15} 16else 17{ 18printf("/*%ld,%d*/ ",sim_data_buffer[k],0); 19} 20cyhal_system_delay_ms(10); 21} 22} 23return0; 24}

4.4.3 测试

效果如下IN是原始数据，MAX是检测到的极大值，如果检测极小值将原始数据取反即可。

检测语音,效果如下

五、总结

得益于开发板出色的处理性能，和外设性能，以及官方可视化的代码配置工具，可以方便的搭建开发环境，实现外设采集信号比如ADC，移植DSP库，实现各种算法。本Demo实现了谐波分析，周期幅值相位分析，数字滤波，极大值检测等功能，是一个小的工具集，还可以继续扩展，设计了人机交互命令行，方便实用和测试，具备一定实用价值。

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