Interface 2015年4月号 第1部 第7章のプログラム
Information
FftTest - Interface 2015年4月号 第1部 第7章 のソフトウェア
Program for Section 7 in April 2015 issue of Interface
(Japanese electronics magazine)
概要
このプログラムは、
- ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、ノッチフィルタ
を行うFilterTestクラス、 - FFT (256点)
を行うFftTestクラス、
波形をUSBシリアル通信でホストへ送信するmain関数で構成されています。
FilterTest.h, FilterTest.cpp
- A-Dサンプリング - 1 kSPS
- ハイパスフィルタ(遮断周波数 0.5 Hz、1次バターワース)
- ローパスフィルタ(遮断周波数 30 Hz、2次バターワース)
- ノッチフィルタ(中心周波数 50 Hz、2次)
FftTest.h, FftTest.cpp
- 256点FFT演算 - クーリー-テューキー アルゴリズム 基数-2 時間間引き
- ハン窓(ハニング窓)適用
- パワー値計算
- 振幅値計算
- 振幅値正規化(実効値にスケーリング)
main.cpp
- データ送信レート - 200 SPS
- メインループ - ポーリングにより、サンプリング、フィルタ処理完了フラグがセットされたら、
また、FFT完了フラグがセットされたらUSBシリアル通信経由で、ホストへ送信する
シリアル通信フォーマット
(※)誌面ではパケットサイズ 64 byteとなっていますが、
64 byteでは、PCのUSBドライバが 4096 byteまで保持し、波形が滑らかに描画できないため、
Ver.1.0.2で、32 byteに変更しています。
- 34byte固定長パケット方式
- 波形データパケット、FFTパケットの2種類
波形データパケット | FFTパケット | |
0x00 | パケットヘッダ(固定値0xAA) | パケットヘッダ(固定値0xAA) |
0x01 | データ種別ID(0x01: 波形データ) | (0x02: FFTデータ) |
0x02 | パケット番号(0 - 99繰り返し) | レンジ(0: DC - 23 Hz, 1: 23 - 46 Hz, 2: 46 - 70 Hz) |
0x03 | ペイロードサイズ(固定値30) | ペイロードサイズ(固定値30) |
0x04 - 0x21 | 波形データ(short, big endian) | FFTデータ(unsigned short, big endian) |
Description
This contains FilterTest class, FftTest class and main function.
FilterTest class:
- High pass filter, Low pass, Notch filter
FftTest class:
- FFT (256 points)
Main function:
- Send waveform and FFT data to host via USB serial class.
FilterTest.h, FilterTest.cpp
- A-D sampling - 1 kSPS
- High pass filter - Cut off frequency 0.5 Hz, first order butterworth
- Low pass filter - Cut off frequency 30 Hz, second order butterworth
- Notch filter - Center frequency 50 Hz, second order
FftTest.h, FftTest.cpp
- 256 points FFT - Cooley-Tukey algorithm Radix-2 Decimation-In-Time
- Apply Hann window
- Calculate power spectrum
- Calculate amplitude spectrum
- Normalize amplitude
main.cpp
- Data sending rate - 200 SPS
- Main loop - sending waveform and FFT data via USB serial interface when detecting ready flag.
Packet format for USB serial interface
- Packet size: 34 bytes(fixed)
- Two types of packet, waveform packet and FFT packet
Waveform packet | FFT packet | |
0x00 | Packet header (0xAA (fixed)) | Packet header (0xAA (fixed)) |
0x01 | Data type ID (0x01: Waveform ID) | (0x02: FFT ID) |
0x02 | Packet number (0 - 99) | Range (0: DC - 23 Hz, 1: 23 - 46 Hz, 2: 46 - 70 Hz) |
0x03 | Payload size (30 (fixed)) | Payload size (30 (fixed)) |
0x04 - 0x21 | Waveform data (short, big endian) | FFT data (unsigned short, big endian) |
Diff: FilterTest.cpp
- Revision:
- 0:9779b89a8820
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000 +++ b/FilterTest.cpp Mon Feb 23 22:19:58 2015 +0000 @@ -0,0 +1,217 @@ +/** + * @file FilterTest.cpp + * @brief Calculate filters + * HPF: 1st order / LPF: 2nd order / Notch: 2nd order + * @date 2015.02.22 + * @version 1.0.1 + */ +#include "FilterTest.h" + +/** Constructor +*/ +FilterTest::FilterTest () +{ + set_hpf_coef(INIT_HB, INIT_HA); + set_lpf_coef(INIT_LB, INIT_LA1, INIT_LA2); + set_brf_coef(INIT_NB, INIT_NA1, INIT_NA2); + reset_hpf_buf(); + reset_lpf_buf(); + reset_brf_buf(); +} + +/** Calculate filter + * @param val Input value + * @param hpf_on High pass filter enable + * @param lpf_on Low pass filter enable + * @param brf_on Notch filter enable + * @return Output value + */ +double FilterTest::calc(double val, int hpf_on, int lpf_on, int brf_on) +{ + double retVal = val; + /* High pass filter */ + if(hpf_on) { + retVal = hpf(retVal); + } else { + reset_hpf_buf(); + } + /* Low pass filter */ + if(lpf_on) { + retVal = lpf(retVal); + } else { + reset_lpf_buf(); + } + /* Notch (Band reject) filter */ + if(brf_on) { + retVal = brf(retVal); + } else { + reset_brf_buf(); + } + return retVal; +} + +/** Reset delay buffers for high pass filter +*/ +void FilterTest::reset_hpf_buf() +{ + _hw = 0.0; +} + +/** Reset delay buffers for low pass filter +*/ +void FilterTest::reset_lpf_buf() +{ + _lw1 = 0.0; + _lw2 = 0.0; +} + +/** Reset delay buffers for notch filter +*/ +void FilterTest::reset_brf_buf() +{ + _nw1 = 0.0; + _nw2 = 0.0; +} + +/** Set coefficient for HPF + * @param hb Numerator cofficient + * @param ha Denominator cofficient + * @retval true OK + * @retval false NG + */ +bool FilterTest:: set_hpf_coef(double hb, double ha) +{ + if(hb > 1.0) { + return false; + } else if((ha > 1.0)||(ha < -1.0)) { + return false; + } else { + _hb = hb; + _ha = ha; + reset_hpf_buf(); + return true; + } +} + +/** Set coefficient for LPF + * @param lb Numerator cofficient + * @param la1 Denominator cofficient 1 + * @param la2 Denominator cofficient 2 + * @retval true OK + * @retval false NG + */ +bool FilterTest:: set_lpf_coef(double lb, double la1, double la2) +{ + if(lb > 1.0) { + return false; + } else if((la1 > 2.0)||(la1 < -2.0)) { + return false; + } else if(la2 > 1.0) { + return false; + } else { + _lb = lb; + _la1 = la1; + _la2 = la2; + reset_lpf_buf(); + return true; + } +} + +/** Set coefficient for BRF + * @param nb Numerator cofficient + * @param na1 Denominator cofficient 1 + * @param na2 Denominator cofficient 2 + * @retval true OK + * @retval false NG + */ +bool FilterTest:: set_brf_coef(double nb, double na1, double na2) +{ + if(nb > 1.0) { + return false; + } else if((na1 > 2.0)||(na1 < -2.0)) { + return false; + } else if(na2 > 1.0) { + return false; + } else { + _nb = nb; + _na1 = na1; + _na2 = na2; + reset_brf_buf(); + return true; + } +} + +/** High pass filter (1st order) + * @param x Input value + * @return Output value + * + * hb v + + * x ---I>---+---O-------+--- y + * | hw|- | + * | [z] | + * | | ha | + * +---O---<I--+ + */ +double FilterTest::hpf(double x) +{ + double v, y; + + v = _hb * x; + y = v - _hw; + _hw = v + _ha * y; + return y; +} + +/** Low pass filter (2nd order) + * @param x Input value + * @return Output value + * + * lb v + * x --I>--+-----O-------+--- y + * | lw1| | + * | [z] | + * | 2 | -la1 | + * +-I>--O---<I--+ + * | lw2| | + * | [z] | + * | | -la2 | + * +-----O---<I--+ + */ +double FilterTest::lpf(double x) +{ + double v, y; + + v = _lb * x; + y = v + _lw1; + _lw1 = 2 * v - _la1 * y + _lw2; + _lw2 = v - _la2 * y; + return y; +} + +/** Notch filter (Band reject filter) (2nd order) + * @param x Input value + * @return Output value + * + * nb v + * x -+-I>--+----O-------+--- y + * | | nw1| | + * | | [z] | + * +| na1 | | | + * O-I>-------O | + * -| | nw2| | + * | | [z] | + * | | | -na2 | + * | +----O---<I--+ + * | | + * +------------------+ + */ +double FilterTest::brf(double x) +{ + double v, y; + + v = _nb * x; + y = v + _nw1; + _nw1 = _na1 * ( x - y ) + _nw2; + _nw2 = v - _na2 * y; + return y; +}