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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: main.cpp
- Revision:
- 0:9779b89a8820
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/main.cpp Mon Feb 23 22:19:58 2015 +0000
@@ -0,0 +1,278 @@
+/**
+ * @file Main.cpp
+ * @brief Send 1ch waveform and FFT data to PC via USB serial
+ * @date 2015.02.24
+ * @version 1.0.2
+ */
+#include "mbed.h"
+#include "USBSerial.h"
+#include "FilterTest.h"
+#include "FftTest.h"
+
+#define ON (1)
+#define OFF (0)
+
+#define LED_ON (0)
+#define LED_OFF (1)
+
+#define BYTE_MASK (0xFF)
+#define INT16_MAX (32767)
+#define INT16_MIN (-32768)
+#define UINT16_MAX (65535)
+#define UINT16_MIN (0)
+
+#define SAMPLING_RATE (0.001) /* A/D sampling rate (1kHz) */
+#define DEC_COUNT (5) /* Decimation count (sampling 200Hz)*/
+
+#define PACKET_HEADER (0xAA)
+#define WAVEFORM_ID (0x01)
+#define FFT_ID (0x02)
+#define PACKET_SIZE (34) /* 64 -> 34 for PC to receive waveform data smoothly */
+#define PAYLOAD_SIZE (30) /* PACKET_SIZE - 4(Header size) */
+#define WAV_BUF_NUM (2) /* Double buffer */
+#define WV_PKT_CNTR_NUM (100)
+/* [ Packet format ] */
+/* ---------------- */
+/* 0x00 | Header byte | Fixed value (PACKET_HEADER:0xAA) */
+/* 0x01 | Data type | ID value (0x01:Waveform, 0x02:FFT) */
+/* 0x02 | Packet counter | Count value (0to99 < CNTR_SIZE:100) */
+/* 0x03 | Payload size | Fixed value (DATA_NUM:30) */
+/* 0x04 | Data0 (MSBside)| Short type (signed, big endian) */
+/* ... | ... | */
+/* 0x21 | Data29(LSBside)| */
+/* ---------------- */
+
+#define FFT_LENGTH (256) /* FFT data length */
+#define FFT_INTERVAL (200) /* FFT calc interval */
+#define FFT_OVERLAP_LEN (56) /* FFT overlap length */
+#define FFT_BUF_NUM (2) /* Double buffer */
+#define FFT_SEND_LEN (90) /* FFT send data length */
+
+
+Ticker sampling; /* Interval timer for A/D sampling */
+AnalogIn wave_in(p20); /* Waveform input */
+USBSerial serial;
+FilterTest filter;
+FftTest fft;
+
+/* DIP switch for filter ON/OFF */
+DigitalIn hpf_on(p28);
+DigitalIn lpf_on(p27);
+DigitalIn brf_on(p26);
+/* [ DIP switch ] */
+/* TG-LPC11U35-501 +3.3V */
+/* | CN1 CN2 | --- */
+/* | mbed BD | | */
+/* | 13 | p28 -/ -+ Hiph pass filter */
+/* | 14 | p27 -/ -+ Low pass filter */
+/* | 15 | p26 -/ -+ Notch filter */
+/* | | */
+/* pull-down is default as below. */
+/* http://developer.mbed.org/handbook/DigitalIn */
+/* It says "By default, the DigitalIn is setup */
+/* with an internal pull-down resistor." */
+/* Better to set the pins to pull-up mode and the */
+/* switch connected to GND. */
+
+/* For debug pins */
+DigitalOut dbg_p21(p21);
+DigitalOut dbg_p22(p22);
+DigitalOut dbg_led1(LED1);
+DigitalOut dbg_led2(LED2);
+
+/* Variables */
+int32_t wav_dec_cntr; /* Decimation counter */
+
+uint8_t wav_pkt_buf[WAV_BUF_NUM][PACKET_SIZE]; /* Waveform packet buffer */
+int32_t wav_pkt_idx; /* Packet buffer index */
+int32_t wav_tgl; /* Packet buffer toggle */
+int32_t wav_send_flag; /* Waveform sending flag */
+uint8_t wav_pkt_cntr; /* Waveform packet counter */
+
+float fft_buf[FFT_BUF_NUM][FFT_LENGTH]; /* FFT data buffer */
+uint8_t pkt_buf_fft[PACKET_SIZE] = {0}; /* FFT packet buffer */
+int32_t fft_dat_idx; /* FFT buffer index */
+int32_t fft_tgl; /* FFT buffer toggle */
+int32_t fft_send_flag; /* FFT sendign flag */
+
+float fft_out_re[FFT_LENGTH] = {0.0f}; /* FFT result real */
+float fft_out_im[FFT_LENGTH] = {0.0f}; /* FFT result imaginary */
+uint16_t fft_res[FFT_SEND_LEN] = {0}; /* FFT result */
+
+/** Initialize waveform packet buffer
+ * @param tgl buffer wav_tgl index
+ * @param ctr packet counter
+ */
+void init_wav_pkt_buf(int32_t tgl, uint8_t ctr)
+{
+ int i;
+ if(tgl>WAV_BUF_NUM) {
+ return;
+ }
+ wav_pkt_buf[tgl][0] = PACKET_HEADER;
+ wav_pkt_buf[tgl][1] = WAVEFORM_ID;
+ wav_pkt_buf[tgl][2] = ctr; /* Packet counter */
+ wav_pkt_buf[tgl][3] = PAYLOAD_SIZE; /* Payload size */
+ wav_pkt_idx = 4; /* Start index of waveform */
+ for(i=4; i<PACKET_SIZE; i++) {
+ wav_pkt_buf[tgl][i] = 0;
+ }
+}
+
+/** Set FFT packet buffer
+ * @param buf Source data buffer
+ * @param ctr packet counter
+ */
+void set_fft_pkt_buf(uint16_t* buf, uint8_t ctr)
+{
+ int i;
+ pkt_buf_fft[0] = PACKET_HEADER;
+ pkt_buf_fft[1] = FFT_ID;
+ pkt_buf_fft[2] = ctr; /* Packet counter */
+ pkt_buf_fft[3] = PAYLOAD_SIZE; /* Payload size */
+ i=0;
+ while(i<PAYLOAD_SIZE) {
+ pkt_buf_fft[i + 4] = (uint8_t)((buf[i / 2] >> 8 ) & BYTE_MASK);
+ i++;
+ pkt_buf_fft[i + 4] = (uint8_t)(buf[i / 2] & BYTE_MASK);
+ i++;
+ }
+}
+
+/** Interval timer for read A/D value
+ */
+void ad_sampling()
+{
+ int32_t wav_temp;
+ dbg_led2 = lpf_on; /* for debug */
+
+ /* Read and filter data */
+ wav_temp = (int32_t)filter.calc( (double)(wave_in.read_u16() - INT16_MAX), hpf_on, lpf_on, brf_on );
+
+ /* Store data */
+ wav_dec_cntr = (wav_dec_cntr + 1) % DEC_COUNT;
+ if(wav_dec_cntr == 0) { /* Decimation */
+
+ dbg_p21 = ON; /* for debug */
+ /* Waveform */
+ wav_temp = (wav_temp > INT16_MAX) ? INT16_MAX : wav_temp;
+ wav_temp = (wav_temp < INT16_MIN) ? INT16_MIN : wav_temp;
+ wav_pkt_buf[wav_tgl][wav_pkt_idx] = (uint8_t)((wav_temp >> 8 ) & BYTE_MASK);
+ wav_pkt_idx++;
+ wav_pkt_buf[wav_tgl][wav_pkt_idx] = (uint8_t)(wav_temp & BYTE_MASK);
+ wav_pkt_idx++;
+
+ if(wav_pkt_idx >= PACKET_SIZE) { /* Counter reached */
+ wav_tgl = !wav_tgl;
+ wav_pkt_cntr = (wav_pkt_cntr + 1 ) % WV_PKT_CNTR_NUM;
+ init_wav_pkt_buf(wav_tgl, wav_pkt_cntr);
+ wav_send_flag = ON; /* Set flag */
+ }
+
+ /* FFT */
+ fft_buf[fft_tgl][fft_dat_idx + FFT_OVERLAP_LEN] = (float)wav_temp;
+ if(fft_dat_idx >= (FFT_INTERVAL - FFT_OVERLAP_LEN)) {
+ fft_buf[!fft_tgl][fft_dat_idx + FFT_OVERLAP_LEN - FFT_INTERVAL] = (float)wav_temp;
+ }
+
+ fft_dat_idx = (fft_dat_idx + 1) % FFT_INTERVAL;
+ if(fft_dat_idx == 0) {
+ fft_tgl = !fft_tgl;
+ fft_send_flag = ON; /* Set flag */
+ }
+
+ dbg_p21 = OFF; /* for debug */
+ }
+}
+
+/** Send data packet
+ * @param p_buf Data array
+ * @param size Data length
+ */
+bool send_packet(uint8_t *p_buf, uint16_t size)
+{
+ if(serial.writeable()) {
+ dbg_p22 = ON; /* for debug */
+ serial.writeBlock (p_buf, size); /* Send data via USB */
+ dbg_p22 = OFF; /* for debug */
+ return true;
+ } else {
+ return false;
+ }
+}
+
+/** Main function
+ */
+int main()
+{
+ int i;
+ uint16_t fft_temp;
+
+ /* Initialization */
+ wav_dec_cntr = 0;
+
+ init_wav_pkt_buf(wav_tgl, wav_pkt_cntr);
+ init_wav_pkt_buf(!wav_tgl, wav_pkt_cntr);
+ wav_pkt_idx = 0;
+ wav_tgl = 0;
+ wav_send_flag = OFF;
+ wav_pkt_cntr = 0;
+
+ fft_dat_idx = 0;
+ fft_tgl = 0;
+ fft_send_flag = OFF;
+
+ dbg_p21 = OFF;
+ dbg_p22 = OFF;
+ dbg_led1 = LED_OFF;
+ dbg_led2 = LED_OFF;
+
+ /* Start interval timer */
+ sampling.attach(&ad_sampling, SAMPLING_RATE);
+
+ /* Main loop */
+ while(1) {
+ /* Waveform */
+ if(wav_send_flag != OFF) {
+ /* Send data */
+ send_packet(wav_pkt_buf[!wav_tgl], (uint16_t)PACKET_SIZE);
+
+ /* Disable interrupt */
+ __disable_irq();
+ wav_send_flag = OFF; /* Clear flag */
+ __enable_irq();
+ }
+
+ /* FFT */
+ if(fft_send_flag != OFF) {
+ dbg_led1 = LED_ON; /* for debug */
+
+ /* Calculate FFT and normalized amplitude spectrum */
+ fft.apply_window(fft_buf[!fft_tgl], fft_buf[!fft_tgl]);
+ fft.calc_fft(fft_buf[!fft_tgl], fft_out_re, fft_out_im);
+ fft.calc_power(fft_out_re, fft_out_im, fft_out_re, FFT_SEND_LEN);
+ fft.calc_amplitude(fft_out_re, fft_out_re, FFT_SEND_LEN);
+ fft.norm_amplitude(fft_out_re, FFT_SEND_LEN);
+ for(i=0; i<FFT_SEND_LEN; i++) {
+ fft_temp = (fft_out_re[i] > UINT16_MAX) ? UINT16_MAX : (uint16_t)fft_out_re[i];
+ fft_temp = (fft_out_re[i] < UINT16_MIN) ? UINT16_MIN : fft_temp;
+ fft_res[i] = fft_temp;
+ }
+
+ /* Send data */
+ i=0;
+ while((PAYLOAD_SIZE * i) < FFT_SEND_LEN * sizeof(fft_res[0])) {
+ set_fft_pkt_buf((fft_res + (PAYLOAD_SIZE/sizeof(fft_res[0])) * i), i);
+ send_packet(pkt_buf_fft, (uint16_t)PACKET_SIZE);
+ i++;
+ }
+
+ /* Disable interrupt */
+ __disable_irq();
+ fft_send_flag = OFF; /* Clear flag */
+ __enable_irq();
+
+ dbg_led1 = LED_OFF; /* for debug */
+ }
+ }
+}