【炒冷饭】STM32实现IIR滤波器，可用matlab生成的头文件

emper · 发表于 2016-4-22 23:13:02

原帖刊载于ourdev：http://www.amobbs.com/thread-4165021-1-1.html
原帖代码搞错，也无法编辑，很多人又找不到后面的更正，为了不误导更多人，就在这里重新发一遍。

这里提供用于AVR和STM32的IIR滤波器代码下载，保证可用，不需要额外修改：

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放假实在无聊，即将到来的高三非常恐怖，先偷闲一把。

matlab的fdatool是好东西，不过很多人不知道该怎么使用它生成的C头文件。

该程序已经用于心电采集实验

不多说，切入正题

这里有个fdatool设计的IIR高通滤波器，采样率400Hz时截止频率1Hz。
设计定型之后，要做些调整。

以下说明中的英文名词有些可能对不上fdatool界面上的原文，请大家意会吧

第一步：
点击菜单中的Edit->Convert Structure 选择Direct Form I ，SOS，（必须是Direct Form I，  II不行）
一般情况下，按照默认设置，fdatool设计都是由二阶部分串联组成的。
这种结构的滤波器稳定性比一个section的要好很多，其他方面的性能也好些。
如果不是的话，点击Convert to second order sections。
这时，滤波器的结构（structure）应该显示为 Direct Form I，second order sections

第二步：
选择quantize filter，精度选择single precision floating point （单精度浮点）
之所以不用定点是因为噪声太大，也不容易稳定。
点击菜单中的Targets -> generate c header ，选择export as：single precision floating point （单精度浮点）
填写变量名称时，把NUM改成IIR_B，DEN改成IIR_A,其他不用动，保存为iir_coefs.h

保存好的文件如下：
//一大堆注释
//然后：
/* General type conversion for MATLAB generated C-code  */
#include "tmwtypes.h"
/*
* Expected path to tmwtypes.h
* C:\Program Files\MATLAB\R2010a\extern\include\tmwtypes.h
*/
/*
* Warning - Filter coefficients were truncated to fit specified data type.
* The resulting response may not match generated theoretical response.
* Use the Filter Design & Analysis Tool to design accurate
* single-precision filter coefficients.
*/
#define MWSPT_NSEC 9
const int NL[MWSPT_NSEC] = { 1,3,1,3,1,3,1,3,1 };
const real32_T IIR_B[MWSPT_NSEC][3] = {
{
   0.8641357422,             0,             0
  },
  {
            1,          -2,             1
  },
  {
   0.9949035645,             0,             0
  },
  {
            1, -1.999938965,             1
  },
  {
   0.9985351563,             0,             0
  },
  {
            1, -1.99987793,             1
  },
{
   0.9996337891,             0,             0
  },
  {
            1, -1.99987793,             1
  },
  {
            1,             0,             0
  }
};
const int DL[MWSPT_NSEC] = { 1,3,1,3,1,3,1,3,1 };
const real32_T IIR_A[MWSPT_NSEC][3] = {
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1, -1.938049316, 0.9401855469
  },
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1, -1.989501953, 0.9900512695
  },
{
            1,             0,             0
  },
  {
            1, -1.996887207, 0.9971923828
  },
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1, -1.999084473, 0.9993286133
  },
  {
            1,             0,             0
  }
};

第三步：
打开iir_coefs.h把MWSPT_NSEC替换成IIR_NSEC,
NL、DL数组删除掉，real32_T改成float ，
其中有一个#include "twmtypes.h",不要它了，删掉
改完的文件如下：

#define IIR_NSEC 9
  //原来叫做MWSPT_NSEC

const float IIR_B[IIR_NSEC][3] = {
  //为什么改为float很明显了吧
  {
0.8641357422,             0,             0
  },
  {
            1,          -2,             1
  },
  {
0.9949035645,             0,             0
  },
  {
            1,  -1.999938965,             1
  },
{
0.9985351563,             0,             0
  },
  {
            1, -1.99987793,             1
  },
  {
0.9996337891,             0,             0
  },
  {
            1, -1.99987793,             1
  },
  {
            1,             0,             0
  }
};
const float IIR_A[IIR_NSEC][3] = {
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1,  -1.938049316,  0.9401855469
  },
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1,  -1.989501953,  0.9900512695
  },
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1,  -1.996887207,  0.9971923828
  },
  {
            1,             0,             0
  },
  {
            1,  -1.999084473,  0.9993286133
  },
  {
            1,             0,             0
  }
};

保存文件，然后使用以下代码进行滤波
这段代码是根据Direct Form I 2阶IIR滤波的差分方程编写的
a0*y[n] = b0*x[n] + b1*x[n-1] + b2*x[n-2] - a1*y[n-1] -a2*y[n-2];

#include "../platform.h"
//#include "iir_coefs.float.flat.h"
//#include "iir_coefs.float.sharp.h"
#include "iir_coefs_pass@2Hz_stop@0.8Hz.h"
#include "iir_filter.h"
static float y[IIR_NSEC][3];
static float x[IIR_NSEC+1][3];
//IIR_NSEC阶直接型II IIR滤波器
//IIR_NSEC个二阶biquad串联
int16 iir_filter(int16 in)
{
   uint16 i;

   x[0][0] = in;

   for(i=0;i<IIR_NSEC;i++)
   {

      //  y[0] = x[0]*IIR_B[0] +x[1]*IIR_B[1] +x[2]*IIR_B[2]-y[1]*IIR_A[1]-y[2]*IIR_A[2];
      y[0] = 0;

      if(IIR_B[0] == 1) y[0]+=x[0];
      else if(IIR_B[0] == -1) y[0]-=x[0];
      else if(IIR_B[0] == -2) y[0]=y[0]-x[0]-x[0];
      else if(IIR_B[0] == 0);
      else y[0] += x[0]*IIR_B[0];

      if(IIR_B[1] == 1) y[0]+=x[1];
      else if(IIR_B[1] == -1) y[0]-=x[1];
      else if(IIR_B[1] == -2) y[0]=y[0]-x[1]-x[1];
      else if(IIR_B[1] == 0);
      else y[0] += x[1]*IIR_B[1];

      if(IIR_B[2] == 1) y[0]+=x[2];
      else if(IIR_B[2] == -1) y[0]-=x[2];
      else if(IIR_B[2] == -2) y[0]=y[0]-x[2]-x[2];
      else if(IIR_B[2] == 0);
      else y[0] += x[2]*IIR_B[2];

      if(IIR_A[1] == 1) y[0]-=y[1];
      else if(IIR_A[1] == -1) y[0]+=y[1];
      else if(IIR_A[1] == -2) y[0]=y[0]+y[1]+y[1];
      else if(IIR_A[1] == 0);
      else y[0] -= y[1]*IIR_A[1];

      if(IIR_A[2] == 1) y[0]-=y[2];
      else if(IIR_A[2] == -1) y[0]+=y[2];
      else if(IIR_A[2] == -2) y[0]=y[0]+y[2]+y[2];
      else if(IIR_A[2] == 0);
      else y[0] -= y[2]*IIR_A[2];

      if(IIR_A[0] != 1) y[0] /= IIR_A[0];

      y[2]=y[1];y[1]=y[0];
      x[2]=x[1];x[1]=x[0];

      x[i+1][0] = y[0];
   }

   if( x[IIR_NSEC][0]>32767)  x[IIR_NSEC][0]=32767;
   if( x[IIR_NSEC][0]<-32768) x[IIR_NSEC][0]=-32768;
   return  ((int16)x[IIR_NSEC][0]);

}
//复位滤波器
void iir_reset(void)
{
uint16 i,j;

for(i=0;i<IIR_NSEC+1;i++)
{
   for(j=0;j<3;j++)
   {
      x[j]=0;
   }
}

for(i=0;i<IIR_NSEC;i++)
{
   for(j=0;j<3;j++)
   {
      y[j]=0;
   }
}
}

//iir_filter.h
#ifndef _IIR_FILTER_H__
#define _IIR_FILTER_H__
int16 iir_filter(int16 x);
void iir_reset(void);
#endif

使用方法:
首先写好iir_coefs.h，然后调用iir_filter.c对数据流进行滤波
一个伪代码例子：
while(运行中)
{
保存到SD卡(iir_filter(读取ADC采样值()));
}

这个函数比STM32 DSP库中的函数要好很多，DSP库中的2个IIR滤波函数都不能连续处理数据流。
记得在开始滤波之前重置滤波器
iir_reset();