基于LPC55S69双核ARM-M33的FFT傅利叶频谱仪
一、项目名称
基于LPC55S69双核ARM-M33的FFT傅利叶频谱仪
二、项目概述
傅利叶运算FFT很适用于频谱的分析。基于LPC55S69双核ARM-M33的FFT傅利叶频谱仪，利用M33双核ARM主核浮点运算的特点，Core0进行ADC采样和FFT运算。Core1驱动OLED将运算结果以图形方式显示频谱。
三、项目的实施
双核任务的规划：
项目主要功能为每秒512点的FFT运算，其中主要分为0#模块（ADC采样、FFT浮点小数运算）和1#模块（OLED图形显示）。0#模块分配给Core0，1#模块分配给Core1。申请了一个内存共享区，Core0将512个点FFT运算结果存放在该区，Core1读取该共享数据在OLED上显示。
本项目使用了IAR自带的DSP库和LPC的PowerQuad两种DSP进行测试。
硬件资源：
实现项目的功能利用《基于LPC55S69双核三相真有效值交流电压表》的硬件资源。Core0的资源需要ADC0通道的采样转换。Core1驱动OLED的5条GPIO口线硬件资源不变直接利用。这些都从板子上的ARDUINO插座上引出。
外扩资源：
需要外扩ADC外部输入电路ADC0输入利用原《真有效值交流电压表》的硬件ADC0，见图1。
图1
DEMO板的三相交流电模拟信号发生器，输出的正弦波信号，连接到LPC55S69的ADC0输入端，在P3端接上9V层叠电池就能进行50HZ正弦波频谱的显示。由于这片OLED水平方向只有128DPI,扣除512点FFT的镜像部分256点，将前256点压缩每2点抽取1点共128点供水平显示。如果断开用50HZ发生器的9V供电，用户也可以将MP3信号从S1(GND)和S2(信号)接入来测试（见图2）。注意信号电平勿超过3.3V供电电压。
开发环境：
IAR8.32.1。工程模块使用双核Hello_world修改而成。
为了对比使用IAR自带DSP函数库与LPC5500独特的PowerQuad处理浮点运算的能力，代码使用了方案A(IAR DSP)和方案B(LPC PowerQuad):
方案A；使用IAR自带DSP库，需要调用IAR的DSP库，见图2.
图2
FPU要使能（图3）
图3
FFT 运算直接调用IAR的DSP库，代码不复杂：
Void LPC_FFT(void)
{
arm_cfft_radix2_instance_f32 scfft;
uint16_t i;
arm_cfft_radix2_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);
for(i=0;i<FFT_LENGTH;i++)
{ fft_inputbuf[2*i]=(uint16_t)Adc_Value[i];
fft_inputbuf[2*i+1]=0;
}
arm_cfft_radix2_f32(&scfft,fft_inputbuf);
arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH);
}
双核调试：
调试过程与真有效交流电压表基本相同，不再重复。
演示代码测试了LPC55s69主核处理浮点运算处理512个点FFT的浮点运算速度，，测试结果大约耗时1156uS（图4）。
图4
方案B:使用LPC的POWERQUAD
该测试使用Core0单核工程添加fsl_powerquad.c、fsl_widdlefactor.c和DSP原代码（图5）。
图5
使能FPU(图6)。
图6
void task_pq_fft_512(void)
{
arm_cfft_instance_q31 instance;
uint32_t i;
for (i = 0; i < APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512; i++)
{ gPQFftF32In[i*2] = (float32_t)(Adc_Value[i]-2047.99);
gPQFftF32In[i*2] /= 3.0f;
gPQFftF32In[i*2+1] = 0.0f;
}//导入ADC数据
arm_float_to_q31(gPQFftF32In,gPQFftQ31In, APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512*2u);
for (i = 0u; i < APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512 * 2u; i++)
{ gPQFftQ31InOut[i] = gPQFftQ31In[i] >> 5u; }
TimerCount_Start();
instance.fftLen = APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512;
arm_cfft_q31(&instance, gPQFftQ31InOut, 0, 1);
TimerCount_Stop(calcTime);
for (i = 0u; i < APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512 * 2u; i++)
{ gPQFftQ31Out[i] = gPQFftQ31InOut[i] << 5u;
}
arm_q31_to_float(gPQFftQ31Out,gPQFftF32Out, APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512*2u);
arm_cmplx_mag_f32( gPQFftF32Out, gPQFftF32In, APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512);
memset(gLcdFreqSpecDispBuf,0u, sizeof(gLcdFreqSpecDispBuf));
for (i = 0u; i < APP_PQ_FFT_SAMPLE_COUNT_512; i++)
{ gLcdFreqSpecDispBuf[i] = (int)(gPQFftF32In[i] * 128.0); }
gPQProcCycles[APP_USER_TASK_FFT_512_IDX] = calcTime;
}
使用POWERQUAD使得FFT浮点运算速度大大提高，处理512点FFT浮点运算耗时36uS（图7）。
图7
通过方案A（图4）与方案B（图7）运行结果对比可知，LPC5500特有的PowerQuad处理浮点运算的速度比IAR自带的DSP处理速度大大提高。
