CQ Publishing
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) |
FftTest.cpp
- Committer:
- t_tatsuoka
- Date:
- 2015-07-30
- Revision:
- 1:537eb14c5332
- Parent:
- 0:9779b89a8820
File content as of revision 1:537eb14c5332:
/**
* @file FftTest.cpp
* @brief Calculate 256 point FFT with Hann window
* Cooley-Tukey algorithm Radix-2 Decimation-In-Time
* @date 2015.02.24
* @version 1.0.2
*/
#include "FftTest.h"
/** Constructor
*/
FftTest::FftTest()
{
init();
}
/** Destructor
*/
FftTest::~FftTest()
{
}
/** Apply window fucntion
* @param in_data[] Input data
* @param out_data[] Output data
*/
void FftTest::apply_window(float in_data[], float out_data[])
{
int i;
for(i = 0; i < _dat_len; i++) {
out_data[i] = in_data[i] * _window_array[i];
}
}
/** Calculate FFT
* @param in_data Input data
* @param out_re_data Output real data
* @param out_im_data Output imaginary data
*/
void FftTest::calc_fft(float in_data[], float out_re_data[], float out_im_data[])
{
int i, stage, phase, block, upper_idx, lower_idx;
int32_t block_dist, butterfly_num;
float w_re, w_im, u_re, u_im, temp_re, temp_im, temp_w_re, temp_w_im;
/* Bit reversal */
for (i = 0; i < _dat_len; i++) {
out_re_data[i] = in_data[_br_idx_array[i]];
out_im_data[i] = 0.0f;
}
/* Butterfly */
for (stage = 1; stage <= _digit_len; stage++) {
block_dist = 1 << stage;
butterfly_num = block_dist >> 1;
w_re = 1.0f;
w_im = 0.0f;
u_re = cosf(PI / butterfly_num);
u_im = -sinf(PI / butterfly_num);
for (phase = 0; phase < butterfly_num; phase++) {
for (block = phase; block < _dat_len; block += block_dist) {
upper_idx = block;
lower_idx = upper_idx + butterfly_num;
temp_re = out_re_data[lower_idx] * w_re - out_im_data[lower_idx] * w_im;
temp_im = out_re_data[lower_idx] * w_im + out_im_data[lower_idx] * w_re;
out_re_data[lower_idx] = out_re_data[upper_idx] - temp_re;
out_im_data[lower_idx] = out_im_data[upper_idx] - temp_im;
out_re_data[upper_idx] += temp_re;
out_im_data[upper_idx] += temp_im;
}
temp_w_re = w_re * u_re - w_im * u_im;
temp_w_im = w_re * u_im + w_im * u_re;
w_re = temp_w_re;
w_im = temp_w_im;
}
}
}
/** Calculate Power spectrum
* @param re_data[] Input real data
* @param im_data[] Input imaginary data
* @param pow_data[] Power data
* @param len Data length
*/
void FftTest::calc_power(float re_data[], float im_data[], float pow_data[], int32_t len)
{
int i;
int32_t d_len = (len > _dat_len)? _dat_len : len;
for(i = 0; i < d_len; i++) {
pow_data[i] = re_data[i] * re_data[i] + im_data[i] * im_data[i];
}
}
/** Calculate Amplitude spectrum
* @param pow_data[] Input power data
* @param amp_data[] Output amplitude data
* @param len Data length
*/
void FftTest::calc_amplitude(float pow_data[], float amp_data[], int32_t len)
{
int i;
int32_t d_len = (len > _dat_len)? _dat_len : len;
for(i = 0; i < d_len; i++) {
amp_data[i] = sqrtf(pow_data[i]);
}
}
/** Normalize Amplitude spectrum
* @param pow_data[] Input power data
* @param amp_data[] Output amplitude data
* @param len Data length
*/
void FftTest::norm_amplitude(float amp_data[], int32_t len)
{
int i;
int32_t d_len = (len > _dat_len)? _dat_len : len;
amp_data[0] = amp_data[0] / (float)_dat_len;
for(i = 1; i < d_len; i++) {
amp_data[i] = amp_data[i] * SQRT_2F / (float)_dat_len;
}
}
/** Initialization
*/
void FftTest::init()
{
_digit_len = get_digit_len(DATA_LENGTH);
_dat_len = (1 << _digit_len);
#ifdef _LARGE_RAM
_window_array = new float[_dat_len];
_br_idx_array = new int32_t[_dat_len];
set_hann_window();
set_bit_reversal();
#endif /* LARGE_RAM */
}
/** Get digit length
* @param val Source value
* @return Digit length
*/
int32_t FftTest::get_digit_len(int32_t val)
{
int32_t ret_val = 0;
while( val > 1 ) {
ret_val++;
val >>= 1;
}
return ret_val;
}
/** Calculate Hann window function
*/
void FftTest::set_hann_window()
{
#ifdef _LARGE_RAM
int i;
for(i = 0; i < _dat_len; i++) {
_window_array[i] = (1.0f - cosf(2.0f * PI * i / (_dat_len - 1.0f))) / 2.0f;
}
#endif /* LARGE_RAM */
}
/** Calculate bit reversal index
*/
void FftTest::set_bit_reversal()
{
#ifdef _LARGE_RAM
int i, j;
int32_t reversed_max_bit = (_dat_len >> 1);
_br_idx_array[0] = 0;
for (i = 1; i < _dat_len; i <<= 1) {
for (j = 0; j < i; j++) {
_br_idx_array[j + i] = _br_idx_array[j] + reversed_max_bit;
}
reversed_max_bit >>= 1;
}
#endif /* LARGE_RAM */
}
#ifndef _LARGE_RAM
/* Const */
const float FftTest::_window_array[] = {
0.0f, 0.000151774f, 0.0006070039f, 0.001365413f, 0.002426542f,
0.003789745f, 0.005454196f, 0.007418883f, 0.009682614f, 0.01224402f,
0.01510153f, 0.01825343f, 0.02169779f, 0.02543253f, 0.02945537f,
0.03376389f, 0.03835545f, 0.04322727f, 0.0483764f, 0.05379971f,
0.0594939f, 0.06545553f, 0.07168096f, 0.07816643f, 0.08490799f,
0.09190154f, 0.09914286f, 0.1066275f, 0.114351f, 0.1223086f,
0.1304955f, 0.1389068f, 0.1475372f, 0.1563817f, 0.1654347f, 0.1746908f, 0.1841445f, 0.1937899f, 0.2036212f, 0.2136324f,
0.2238175f, 0.2341703f, 0.2446844f, 0.2553535f, 0.2661712f, 0.2771308f, 0.2882257f, 0.2994492f, 0.3107945f, 0.3222546f,
0.3338226f, 0.3454915f, 0.3572542f, 0.3691036f, 0.3810324f, 0.3930334f, 0.4050995f, 0.4172231f, 0.4293969f, 0.4416136f,
0.4538658f, 0.466146f, 0.4784467f, 0.4907605f, 0.50308f, 0.5153975f, 0.5277057f, 0.5399971f, 0.5522642f, 0.5644996f,
0.5766958f, 0.5888455f, 0.6009412f, 0.6129757f, 0.6249415f, 0.6368315f, 0.6486384f, 0.6603551f, 0.6719745f, 0.6834894f,
0.6948929f, 0.7061782f, 0.7173382f, 0.7283663f, 0.7392558f, 0.75f, 0.7605925f, 0.7710267f, 0.7812964f, 0.7913953f,
0.8013173f, 0.8110564f, 0.8206066f, 0.8299623f, 0.8391176f, 0.848067f, 0.8568051f, 0.8653266f, 0.8736263f, 0.8816991f,
0.8895403f, 0.897145f, 0.9045085f, 0.9116265f, 0.9184946f, 0.9251086f, 0.9314645f, 0.9375585f, 0.9433869f, 0.948946f,
0.9542326f, 0.9592435f, 0.9639755f, 0.9684259f, 0.9725919f, 0.976471f, 0.9800608f, 0.9833592f, 0.9863641f, 0.9890738f,
0.9914865f, 0.9936009f, 0.9954156f, 0.9969296f, 0.9981418f, 0.9990517f, 0.9996585f, 0.999962f, 0.999962f, 0.9996585f,
0.9990517f, 0.9981418f, 0.9969296f, 0.9954156f, 0.9936009f, 0.9914865f, 0.9890738f, 0.9863641f, 0.9833592f, 0.9800608f,
0.976471f, 0.9725919f, 0.9684259f, 0.9639755f, 0.9592435f, 0.9542326f, 0.948946f, 0.9433869f, 0.9375585f, 0.9314645f,
0.9251086f, 0.9184946f, 0.9116265f, 0.9045085f, 0.897145f, 0.8895403f, 0.8816991f, 0.8736263f, 0.8653266f, 0.8568051f,
0.848067f, 0.8391176f, 0.8299623f, 0.8206066f, 0.8110564f, 0.8013173f, 0.7913953f, 0.7812964f, 0.7710267f, 0.7605925f,
0.75f, 0.7392558f, 0.7283663f, 0.7173382f, 0.7061782f, 0.6948929f, 0.6834894f, 0.6719745f, 0.6603551f, 0.6486384f,
0.6368315f, 0.6249415f, 0.6129757f, 0.6009412f, 0.5888455f, 0.5766958f, 0.5644996f, 0.5522642f, 0.5399971f, 0.5277057f,
0.5153975f, 0.50308f, 0.4907605f, 0.4784467f, 0.466146f, 0.4538658f, 0.4416136f, 0.4293969f, 0.4172231f, 0.4050995f,
0.3930334f, 0.3810324f, 0.3691036f, 0.3572542f, 0.3454915f, 0.3338226f, 0.3222546f, 0.3107945f, 0.2994492f, 0.2882257f,
0.2771308f, 0.2661712f, 0.2553535f, 0.2446844f, 0.2341703f, 0.2238175f, 0.2136324f, 0.2036212f, 0.1937899f, 0.1841445f,
0.1746908f, 0.1654347f, 0.1563817f, 0.1475372f, 0.1389068f, 0.1304955f, 0.1223086f, 0.114351f, 0.1066275f, 0.09914286f,
0.09190154f, 0.08490799f, 0.07816643f, 0.07168096f, 0.06545553f,
0.0594939f, 0.05379971f, 0.0483764f, 0.04322727f, 0.03835545f,
0.03376389f, 0.02945537f, 0.02543253f, 0.02169779f, 0.01825343f,
0.01510153f, 0.01224402f, 0.009682614f, 0.007418883f, 0.005454196f,
0.003789745f, 0.002426542f, 0.001365413f, 0.0006070039f, 0.000151774f,
0.0f
};
const int FftTest::_br_idx_array[] = {
0, 128, 64, 192, 32, 160, 96, 224, 16, 144,
80, 208, 48, 176, 112, 240, 8, 136, 72, 200,
40, 168, 104, 232, 24, 152, 88, 216, 56, 184,
120, 248, 4, 132, 68, 196, 36, 164, 100, 228,
20, 148, 84, 212, 52, 180, 116, 244, 12, 140,
76, 204, 44, 172, 108, 236, 28, 156, 92, 220,
60, 188, 124, 252, 2, 130, 66, 194, 34, 162,
98, 226, 18, 146, 82, 210, 50, 178, 114, 242,
10, 138, 74, 202, 42, 170, 106, 234, 26, 154,
90, 218, 58, 186, 122, 250, 6, 134, 70, 198,
38, 166, 102, 230, 22, 150, 86, 214, 54, 182,
118, 246, 14, 142, 78, 206, 46, 174, 110, 238,
30, 158, 94, 222, 62, 190, 126, 254, 1, 129,
65, 193, 33, 161, 97, 225, 17, 145, 81, 209,
49, 177, 113, 241, 9, 137, 73, 201, 41, 169,
105, 233, 25, 153, 89, 217, 57, 185, 121, 249,
5, 133, 69, 197, 37, 165, 101, 229, 21, 149,
85, 213, 53, 181, 117, 245, 13, 141, 77, 205,
45, 173, 109, 237, 29, 157, 93, 221, 61, 189,
125, 253, 3, 131, 67, 195, 35, 163, 99, 227,
19, 147, 83, 211, 51, 179, 115, 243, 11, 139,
75, 203, 43, 171, 107, 235, 27, 155, 91, 219,
59, 187, 123, 251, 7, 135, 71, 199, 39, 167,
103, 231, 23, 151, 87, 215, 55, 183, 119, 247,
15, 143, 79, 207, 47, 175, 111, 239, 31, 159,
95, 223, 63, 191, 127, 255
};
#endif /* LARGE_RAM */