RenesasRA6M4上手：快速傅里叶变换测试

原创面包板社区 2023-06-18 20:00

踏浪而行，偶尔回首，虽不见印记，却也能望见远处的海岸。

从15年毕业，恍然已八年。

硬件工作了八年。也是爱的深沉。

还记得大学的时候在学生会认识的朋友，他有一天突然跟我推荐单片机开发板，那时候大二，打听过，单片机应该是下学期开始的课程。当时我觉得是一种命运的安排，就斥巨资购买了郭天祥的单片机开发板。鬼使神差的，竟然在大学那松散的时光里，我可以学习到深夜一两点！也是因为一块开发板，我考了两次的计算机二级（虽然后来知道没啥用），就很自然的过了。以前不是很理解的硬件知识，也通畅了。后来参加了学校组织的以及国家级的多次比赛，硬件开始让我爱不释手。在当时我也成为了我们班的专业代表，然而毕业始终给人猝不及防。

后来，经过一番忙碌，进入了现在的企业。

还记得简历上不敢写面试硬件工程师，最终写了个PCB工程师。或许也比较怀疑自己的硬件设计能力吧。

刚入职，大多是熟悉产品，于是我维修了公司的陈年旧板，看原理图，查资料，大部分还是需要自主去弄的。然后PCB的设计，学习cadence软件，设计第一块接口板。

恍惚一年多，五六层板也很轻松了。记得有一次评估PCB尺寸和接口位置，对应产品外观。逼不得已学习了最简单的SolidWorks操作。也算是初涉结构设计，后来我们结构设计工程师离职，我就揽下了这个工作。自古硬件结构不分家。PCB与结构的搭配产生了完美的产品。

就这样一晃就是四年，作为干硬件的竟然连原理图都没弄过，挺遗憾的，正当要得过且过的时候，也不知为啥我的领导开始疯狂输出各种原理图设计给我，并且算得上的手把手教学了，但是时间只给了我一个月，因为他要离职了，并且让我接替。有种悲喜交加的感觉。喜的是升职加薪，悲的是刚好两个项目来了。原理图、PCB、结构...

就从原理图认真开始吧，反正也只能这样。于是参考着参考设计，本想着删删减减就大功告成的，然而就在删电容的时候就卡住了，脑海中全是疑问：这个电容为什么选这个容量的？为什么耐压值是这个？这里没标注电容的材料啊？哎？为啥这个地方要这么多种类的电容啊？算了还是删电阻吧，然后又是疑问：多大电阻？多少精度？多大封装？后来还有电感...

最终的结果是全部保留原样的，反正能用，就不改了。最终导致了bom成本，板卡做的很大等问题。

第一次可以这样做，第二次也可以，但是等产品出来了，市面上同类产品，我们的定价颇高，于是老板请我去他办公室喝茶了。意思很简单，降bom成本。

路漫漫修远以下是面包板社区“瑞萨RA6M4 MCU 评估板”评测活动的评测连载，分享于此，希望对你有所参考。

一、开发板开发环境构建

1.1、硬件

基于CPK-RA6M4评估板，板载有Jlink、USB、两个PMOD接口等，交互方面有一个按键和一个LED，传感器方面有一个电位器和一个光传感器，另外大部分IO接口已通过排针引出。在进行DSP方面测试需要接个串口，通过串口打印输出调试信息。（注意：开发板上设计有24M外部晶振输入，实际没焊接，时钟配置时需要注意换成内部时钟）。

1.2、FSP软件配置

FSP软件是开发配置软件，第一步需要配置时钟，如1.1所述，由于外部晶振没有焊接，需要采用内部晶振，配置如下图1所示：

图1 时钟配置

第二步配置接口（LED）相关，LED接在P106端口上，需要使能P106引脚，配置如下图2所示：

图2 LED引脚配置

第三步配置串口，为方便调试输出，需要使用串口打印功能，串口配置如图3a和图3b所示：

图3a UART配置

图3b UART配置

第四步，使能DSP库，DSP库配置如图4所示：

图4 配置DSP

1.3、驱动

驱动包括LED灯、串口驱动程序：LED灯驱动程序如下所示：

串口驱动如下：

1.4、应用

简单测试个求数组元素的绝对值：

测试结果：

图5 数字信号处理求绝对值结果

二、快速傅里叶变换（FFT）测试

2.1. 快速傅里叶变换

快速傅里叶变换 (fast Fourier transform), 即利用计算机计算离散傅里叶变换（DFT)的高效、快速计算方法的统称，简称FFT。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。

例程以 y=16+10sin(100πt)+4sin(300πt)+6sin(700πt)

为测试序列，采样率为6400Hz，基波频率为工频50Hz，采样点数为128点，直流分量为16，基波分量为10，3次谐波分量为4，7次谐波分量为6，通过FFT输出各次谐波幅值并与序列谐波幅值对比。

2.2. CMSIS-DSP

CMSIS-DSP库是Arm针对各种Arm Cortex-M处理器（例如Cortex-M4，Cortex-M7，Cortex-M33，Cortex-M35和Cortex-M55处理器）优化的丰富的DSP函数的集合。Arm Developer网站包含有关这些处理器的更多信息和支持资源。

CMSIS-DSP在行业中得到了广泛使用，并能够通过各种第三方工具优化C代码生成。

例程所使用的是DSP开发包中的TransformFunctions实数快速傅里叶变换。

测试程序：

串口输出值，包括直流分量到63次谐波幅值如图6所示：

图6 RA6M4单片机FFT输出结果

为了方便直观的查看数据，将单片机FFT变换结果通过串口输出，导入到MATLAB中进行绘图，并将结果与MTALAB变换结果进行对比，得到如下图7结果，可以看到标准的正弦波叠加直流分量后，值均大于0；标准的正弦波叠加3次和7次谐波后，波形发生畸变；对比RA6M4变换结果和MATLAB变换结果，对应频率处幅值一样，证明RA6M4的FFT结果正确。