STM32F411 BlackPill CMSIS-DSPによる楽器用チューナー（４）CMSIS DSP実装

1．概要
　arm CMSIS-DSPライブラリの使用方法
　STM32CubeIDE内蔵のCMSIS-DSPはバージョンが古くスプライン補間関数が使えなかったので最新版を導入する

２．先生とお手本
１）先生
（１）CMSIS-DSP導入方法について

aptechlabs.com

ioloa.com

（２）スプライン補間について

qiita.com

qiita.com

２）お手本
（１）FFT

klangstrom.dennisppaul.de

（２）スプライン補間

bbs.elecfans.com

３．STM32CubeIDEへの導入
１）ライブラリー入手
　STM32CubeIDE内蔵のCMSIS-DSPはバージョンが古いので最新版を導入する

（１）最新のライブラリー

github.com

　　.a .lib ファイルのある最新版CMSIS 5.7.0 をdownloadする

２）STM32CubeIDEへの導入
　cortexM4を搭載するSTM32F411での導入例

（１）ライブラリーファイルインポート
　ARM.CMSIS.5.7.0/CMSIS/DSP/Lib/ARM/arm_cortexM4lf_math.lib
　ARM.CMSIS.5.7.0/CMSIS/DSP/Lib/GCC/libarm_cortexM4lf_math.a

（２）インクルードファイルインポート
　ARM.CMSIS.5.7.0/CMSIS/DSP/Include
　　arm_math.h
　　arm_const_structs.h
　　arm_common_tables.h

（３）ライブラリー設定
　Librarys                arm_cortexM4lf_math
　Library search path    workspace を設定

（４）設定ハードコピー

4．コード例
１）三角関数

/* USER CODE BEGIN Includes */
#define ARM_MATH_CM4
#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"
/* USER CODE END Includes */

float armsinVal = arm_sin_f32((float32_t)num*2*M_PI/255);
float armcosVal = arm_cos_f32((float32_t)num*2*M_PI/255);

２）Real FFT f32
（１）仕様
　データ型        float_f32 固定小数点32bit
　サンプル長    [32, 64, 128, ..., 4096] 
　入力バッファデータは保持されない

（２）コード例
　ピーク周波数の算出
　・fft_input データのRFFTを算出する
　・各ポイントのpower値を計算する
　・power最大値とそのインデックスを取り出す

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#define ARM_MATH_CM4
#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"
#include "arm_common_tables.h"

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
#define SAMPLE_BUFFER_LENGTH        4096
#define SAMPLE_BUFFER_LENGTH_HALF   (SAMPLE_BUFFER_LENGTH/2)
#define SAMPLING_RATE               16384

float fft_input[SAMPLE_BUFFER_LENGTH];
float fft_output[SAMPLE_BUFFER_LENGTH];
float fft_power[SAMPLE_BUFFER_LENGTH_HALF];
uint8_t ifftFlag = 0;

/* analyze signal */
arm_rfft_fast_instance_f32 fft;
arm_rfft_fast_init_f32(&fft, SAMPLE_BUFFER_LENGTH);
arm_rfft_fast_f32(&fft, fft_input, fft_output, ifftFlag);
arm_cmplx_mag_f32(fft_output, fft_power, SAMPLE_BUFFER_LENGTH_HALF);

/* find dominant frequency */
float32_t maxValue;
uint32_t maxIndex;

arm_max_f32(fft_power, SAMPLE_BUFFER_LENGTH_HALF, &maxValue, &maxIndex);

３）３次スプライン補間
　・12ポイントのデータから３次スプライン関数の係数を求める
　　ポイント終端は直線　ARM_SPLINE_NATURAL
　・xqに対する補間値pDstを算出する
　　パラメータ計算：12ポイント
　　補間配列：100セット
　　xq[]値を設定するコードは記載なし

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#define ARM_MATH_CM4
#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"
#include "arm_common_tables.h"

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
//arm_spline_init_f32  parameter
static arm_spline_instance_f32 S;
static arm_spline_type type = ARM_SPLINE_NATURAL;
static float32_t x[12];
static float32_t y[12];
static uint32_t n = 12;
static float32_t coeffs[3 * (12 - 1)];
static float32_t tempBuffer[2 * (12 - 1)];

//arm_spline_f32   parameter
static float32_t xq[100];
static float32_t pDst[100];
static uint32_t blockSize = 100;

/* analyze signal */
	arm_spline_init_f32(&S, type, x, y, n, coeffs, tempBuffer);
	arm_spline_f32(&S, xq, pDst, blockSize);

５．補足解説
１）STM32CubeIDEのCMSIS-DSPライブラリー
・Version 1.12.0にスプライン補間関数は実装されていない
・STM32CubeIDEの最新版に実装されているかどうかは未確認

２）CMSIS-DSP最新版
　先生のリンク先に記載されている通り
　・STM32CubeIDEプロジェクトへライブラリーをお手軽に導入するには .a .lib ファイルが必要
　・ライブラリーリンク先のCMSIS 5.7.0より新しいバージョンでは .a .lib ファイルを作る必要がある
　 ・ARM.CMSIS.5.7.0.pack をダウンロードしたら
　　右クリック　このアプリケーションで開く > アーカイブユーティリティを選択実行

２）RFFT処理時間
　実測値 5msec〜10msec程度（96MHz 4096ポイント）

３）スプライン補間で係数を求めるために必要なサンプル数
　先生として記載したリンク「時系列逐次スプライン補間の実践（後編）」の値をお手本にした
　　先頭から５，６点離れれば、以後その区分曲線はほとんど変化しない

続く