不韋 呂
ファンクション･ジェネレータ
Dependencies: mbed SerialTxRxIntr MyTicker7 Array_Matrix
Revision 0:17c762b41fc7, committed 2020-10-17
- Comitter:
- MikamiUitOpen
- Date:
- Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
- Child:
- 1:ea5aa7f3d68c
- Commit message:
- 1
Changed in this revision
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/CoefficientsIIR_Cascade.hpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,21 @@
+//----------------------------------------------------------------------
+// IIR フィルタの係数，縦続形，float 型
+//
+// 2020/10/17, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//----------------------------------------------------------------------
+
+#include "Biquad.hpp"
+using namespace Mikami;
+
+// 低域通過フィルタ
+// 連立チェビシェフ特性
+// 次数 ： 4 次
+// 標本化周波数：400.00 kHz
+// 遮断周波数 ： 20.00 kHz
+// 通過域のリップル： 0.50 dB
+// 阻止域の減衰量 ：40.00 dB
+const int ORDER_ = 4;
+const Biquad::Coefs hk_[] = {
+ { 1.712306E+00f, -7.512093E-01f, -9.111378E-01f, 1.0f},
+ { 1.819915E+00f, -9.194769E-01f, -1.719255E+00f, 1.0f}};
+const float G0_ = 1.196187E-02f; // 利得定数
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/F446_DAC.cpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,28 @@
+//-------------------------------------------------------------
+// STM32F446 内蔵の DAC 用のクラス
+// DAC_OUT1: A2 (PA_4)
+// DAC_OUT2: D13 (PA_5)
+//
+// 2020/10/17, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//-------------------------------------------------------------
+
+#include "F446_DAC.hpp"
+
+namespace Mikami
+{
+ DacF446::DacF446(PinName pin) : da_(pin)
+ {
+ MBED_ASSERT((pin == A2) || (pin == D13));
+
+ if (pin == A2)
+ {
+ DAC->CR = DAC_CR_EN1;
+ fpWriteDac = &DacF446::WriteDac1;
+ }
+ else
+ {
+ DAC->CR = DAC_CR_EN2;
+ fpWriteDac = &DacF446::WriteDac2;
+ }
+ }
+}
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/F446_DAC.hpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,57 @@
+//-------------------------------------------------------------
+// STM32F446 内蔵の DAC 用のクラス（ヘッダ）
+// 選択可能な入力端子：
+// A2 (PA_4)： ---- デフォルト
+// D13 (PA_5)： このポートはマイコンボードの LED も
+// ドライブするので使わない方がよい
+//
+// 2020/10/17, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//-------------------------------------------------------------
+
+#include "mbed.h"
+
+#ifndef STM32F446xx
+#error Not NUCLEO-F446RE.
+#endif
+
+#ifndef F446_DAC_SINGLE_HPP
+#define F446_DAC_SINGLE_HPP
+
+namespace Mikami
+{
+ class DacF446
+ {
+ public:
+ // コンストラクタ
+ explicit DacF446(PinName pin = A2);
+
+ virtual ~DacF446() {}
+
+ // -1.0f <= data <= 1.0f
+ void Write(float data) { WriteDac(ToUint16(data)); }
+
+ // 0 <= data <= 4095
+ void Write(uint16_t data) { WriteDac(__USAT(data, BIT_WIDTH_)); }
+
+ private:
+ void (DacF446::*fpWriteDac)(uint16_t);
+
+ static const int BIT_WIDTH_ = 12;
+ AnalogOut da_;
+
+ // DAC の片方のチェンネルへ出力する
+ void WriteDac1(uint16_t val) { DAC->DHR12R1 = val; } // CH1 へ
+ void WriteDac2(uint16_t val) { DAC->DHR12R2 = val; } // CH2 へ
+
+ void WriteDac(uint16_t val) { (this->*fpWriteDac)(val); }
+
+ // 飽和処理を行い uint16_t 型のデータを戻り値とする
+ uint16_t ToUint16(float val)
+ { return __USAT((val + 1.0f)*2048.0f, BIT_WIDTH_); }
+
+ // コピー･コンストラクタ，代入演算子の禁止のため
+ DacF446(const DacF446&);
+ DacF446& operator=(const DacF446&);
+ };
+}
+#endif // F446_DAC_SINGLE_HPP
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/FastSin.hpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,26 @@
+//-----------------------------------------------------------
+// FastSin() 関数
+// sin(π/2)x) の値の計算
+//
+// 2020/06/01, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//-----------------------------------------------------------
+
+#ifndef FASTSIN_POLYNOMIAL_HPP
+#define FASTSIN_POLYNOMIAL_HPP
+
+namespace Mikami
+{
+ // 引数の範囲： -2 <= x <= 2
+ inline float FastSin(float x)
+ {
+ static const float A1 = 1.570320019210f;
+ static const float A3 = -0.642113166941f;
+ static const float A5 = 0.071860854119f;
+
+ if (x > 1.0f) x = 2.0f - x;
+ if (x < -1.0f) x = -2.0f - x;
+ float x2 = x*x;
+ return ((A5*x2 + A3)*x2 + A1)*x;
+ }
+}
+#endif // FASTSIN_POLYNOMIAL_HPP
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000 +++ b/IIR_Cascade/Array_Matrix.lib Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000 @@ -0,0 +1,1 @@ +https://os.mbed.com/users/MikamiUitOpen/code/Array_Matrix/#d9dea7748b27
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/IIR_Cascade/Biquad.cpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,41 @@
+//--------------------------------------------------------------
+// 縦続形 IIR フィルタの構成要素として使う 2 次の IIR フィルタ
+// b0 は 1 と仮定している
+//
+// 2020/02/12, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//--------------------------------------------------------------
+
+#include "Biquad.hpp"
+
+namespace Mikami
+{
+ // デフォルト･コンストラクタ
+ // 係数は構造体 Ceofs で与える
+ Biquad::Biquad(const Coefs ck)
+ : a1_(ck.a1), a2_(ck.a2), b1_(ck.b1), b2_(ck.b2) { Clear(); }
+
+ // 係数を個別に与えるコンストラクタ
+ Biquad::Biquad(float a1, float a2, float b1, float b2)
+ : a1_(a1), a2_(a2), b1_(b1), b2_(b2) { Clear(); }
+
+ // 2 次のフィルタを実行する
+ float Biquad::Execute(float xn)
+ {
+ float un = xn + a1_*un1_ + a2_*un2_;
+ float yn = un + b1_*un1_ + b2_*un2_;
+
+ un2_ = un1_;
+ un1_ = un;
+
+ return yn;
+ }
+
+ // 係数を設定する
+ void Biquad::SetCoefs(const Coefs ck)
+ {
+ a1_ = ck.a1;
+ a2_ = ck.a2;
+ b1_ = ck.b1;
+ b2_ = ck.b2;
+ }
+}
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/IIR_Cascade/Biquad.hpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,45 @@
+//--------------------------------------------------------------
+// 縦続形 IIR フィルタの構成要素として使う 2 次の IIR フィルタ（ヘッダ）
+// b0 は 1 と仮定している
+//
+// 2020/02/12, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//--------------------------------------------------------------
+
+#ifndef IIR_BIQUAD_HPP
+#define IIR_BIQUAD_HPP
+
+#include "mbed.h"
+
+namespace Mikami
+{
+ class Biquad
+ {
+ public:
+ // フィルタの係数をまとめて扱うための構造体
+ struct Coefs { float a1, a2, b1, b2; };
+
+ // デフォルト･コンストラクタ
+ // 係数は構造体 Ceofs で与える
+ Biquad(const Coefs ck = (Coefs){0, 0, 0, 0});
+
+ // 係数を個別に与えるコンストラクタ
+ Biquad(float a1, float a2, float b1, float b2);
+
+ // 2 次のフィルタを実行する
+ float Execute(float xn);
+
+ // 係数を設定する
+ void SetCoefs(const Coefs ck);
+
+ // 内部変数（遅延器）のクリア
+ void Clear() { un1_ = un2_ = 0; }
+
+ private:
+ float a1_, a2_, b1_, b2_;
+ float un1_, un2_;
+
+ // コピー･コンストラクタ禁止のため
+ Biquad(const Biquad&);
+ };
+}
+#endif // IIR_BIQUAD_HPP
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/IIR_Cascade/IIR_Cascade.cpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,40 @@
+//---------------------------------------------------
+// 縦続形 IIR フィルタ
+//
+// 2020/05/30, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//---------------------------------------------------
+
+#include "IIR_Cascade.hpp"
+
+namespace Mikami
+{
+ // コンストラクタ
+ IirCascade::IirCascade(int order, const Biquad::Coefs ck[], float g0)
+ {
+ SetCoefs(order, ck, g0);
+ Clear();
+ }
+
+ // フィルタ処理を実行する
+ float IirCascade::Execute(float xn)
+ {
+ float yn = g0_*xn;
+ for (int k=0; k<hOrder_; k++) yn = bq_[k].Execute(yn);
+ return yn;
+ }
+
+ // 係数の設定
+ void IirCascade::SetCoefs(int order, const Biquad::Coefs ck[], float g0)
+ {
+ printf("SetCoefs called!\r\n");
+ if (hOrder_ != ((order+1)>>1))
+ {
+ hOrder_ = (order+1)>>1;
+ bq_.SetSize(hOrder_);
+ Clear();
+ printf("Order changed!\r\n");
+ }
+ g0_ = g0;
+ for (int k=0; k<hOrder_; k++) bq_[k].SetCoefs(ck[k]);
+ }
+}
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/IIR_Cascade/IIR_Cascade.hpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,42 @@
+//---------------------------------------------------
+// 縦続形 IIR フィルタ（ヘッダ）
+//
+// 2020/05/30, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//---------------------------------------------------
+
+#ifndef IIR_CASCADE_HPP
+#define IIR_CASCADE_HPP
+
+#include "Biquad.hpp"
+#include "Array.hpp" // Array クラスが定義されている
+
+namespace Mikami
+{
+ class IirCascade
+ {
+ public:
+ // コンストラクタ
+ IirCascade(int order = 0, const Biquad::Coefs ck[] = NULL,
+ float g0 = 1);
+
+ // フィルタ処理を実行する
+ float Execute(float xn);
+
+ // 係数の設定
+ void SetCoefs(int order, const Biquad::Coefs ck[], float g0);
+
+ // 内部変数（遅延器）のクリア
+ void Clear()
+ { for (int k=0; k<hOrder_; k++) bq_[k].Clear(); }
+
+ private:
+ int hOrder_; // 次数/2
+ Array<Biquad> bq_; // Biquad クラスのオブジェクトの配列
+ float g0_; // 利得定数
+
+ // コピー･コンストラクタ，代入演算子禁止禁止のため
+ IirCascade(const IirCascade&);
+ IirCascade& operator=(const IirCascade&);
+ };
+}
+#endif // IIR_CASCADE_HPP
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/MSeq16.hpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,42 @@
+//---------------------------------------------------------
+// M 系列信号発生器（N = 16）
+//
+// 2020/10/17, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//---------------------------------------------------------
+
+#include "mbed.h"
+
+#ifndef MSEQ16_HPP
+#define MSEQ16_HPP
+
+namespace Mikami
+{
+ class MSeq16
+ {
+ public:
+ MSeq16() : reg_(1) {}
+
+ // 戻り値： 1 => 1, 0 => -1
+ int Execute()
+ {
+ if ((reg_ & B_M_) == B_M_)
+ {
+ reg_ = ((reg_ ^ XOR_) << 1) | 1; // 1 の場合の処理
+ return 1;
+ }
+ else
+ {
+ reg_ = reg_ << 1; // 0 の場合の処理
+ return -1;
+ }
+ }
+ private:
+ static const uint16_t XOR_ = (1 << (2-1))
+ | (1 << (3-1))
+ | (1 << (5-1)); // XOR の位置に対応する定数
+ static const uint16_t B_M_ = 1 << (16-1); // 16 段目に相当するビットを調べる
+
+ uint16_t reg_;
+ };
+}
+#endif // MSEQ16_HPP
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000 +++ b/MyTicker7.lib Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000 @@ -0,0 +1,1 @@ +https://os.mbed.com/users/MikamiUitOpen/code/MyTicker7/#f4269105fae0
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000 +++ b/SerialTxRxIntr.lib Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000 @@ -0,0 +1,1 @@ +https://os.mbed.com/users/MikamiUitOpen/code/SerialTxRxIntr/#deeef404ff49
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/main.cpp Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000
@@ -0,0 +1,151 @@
+//----------------------------------------------------------------------
+// ファンクション･ジェネレータ (Nucleo-F446RE 用)
+//
+// 設定できる項目
+// 波形の種類： 正弦波，矩形波，合成矩形波（フーリエ級数の５倍波までの和）
+// 振幅： 0.00 ～ 1.00 倍
+// 周波数： 10 Hz ～ 10 kHz
+// ノイズ付加の有無
+// 標本化間隔：2.5 μs
+// 使用タイマ：TIM7
+// 信号出力のピン： A2
+// 同期信号出力のピン： A5
+//
+// このプログラムの前のバージョン：F446_FunctionGenerator_7
+//
+// PC 側のプログラム
+// F446_FunctionGenerator
+//
+// 注意
+// PC から送信されるコマンド等が不正かどうかはチェックしていない
+//
+// 2020/10/17, Copyright (c) 2020 MIKAMI, Naoki
+//----------------------------------------------------------------------
+
+#include "F446_DAC.hpp"
+#include "SerialRxTxIntr.hpp"
+#include "MyTicker7.hpp"
+#include "FastSin.hpp"
+#include "MSeq16.hpp"
+#include "IIR_Cascade.hpp"
+#include "CoefficientsIIR_Cascade.hpp"
+#include <cctype> // isalpha() で使用
+#pragma diag_suppress 870 // マルチバイト文字使用の警告抑制のため
+
+using namespace Mikami;
+
+const float T0_ = 2.5f; // 出力の標本化間隔： 2.5 μs
+const float TS_ = T0_*1.0e-6f;
+const float C0_ = 4.0f;
+const float C0_2_ = C0_/2.0f;
+
+DacF446 dac_; // DA 変換器オブジェクト
+MyTicker7 timer_(T0_); // タイマ割り込み用クラスのオブジェクト，TIM7 を利用
+SerialRxTxIntr rxTx_; // Serial クラスの受送信割込み用オブジェクト
+DigitalOut syncOut_(A5); // 同期信号出力用
+
+float phi_ = 0;
+float dPhi_ = C0_*1000*TS_; // 周波数決める変数，開始時は 1 kHz;
+float volume_ = 0.5f; // 出力の振幅を決める変数，開始時は 0.5
+bool sw_ = false; // 出力 ON/OFF のスイッチ，開始時は off
+float volNoize_ = 0.5f; // ノイズの大きさを決める変数
+
+// ノイズ付加に関する関数等
+MSeq16 mSeq_;
+IirCascade filter_(ORDER_, hk_, G0_);
+float Noise() { return volNoize_*filter_.Execute(0.5f*mSeq_.Execute()); }
+float NoiseFree() { return 0; }
+float (*fpNoize[])() = { Noise, NoiseFree };
+float (*fpN)() = fpNoize[1]; // 起動時はノイズなし
+
+// 発生する信号を定義する関数
+// 正弦波
+float Sin(float sinx) { return volume_*sinx + fpN(); }
+// 矩形波
+float Rect(float sinx)
+{
+ float x = (sinx >= 0) ? volume_ : -volume_;
+ return x + volNoize_*fpN();
+}
+// 矩形波（５倍波まで）
+float Compo(float sinx)
+{
+ static const float ONE_3 = 1.0f/3.0f; // フーリエ合成で使用
+ static const float ONE_5 = 0.2f; // フーリエ合成で使用
+
+ float sinx2 = sinx*sinx;
+ float sin3x = (-4.0f*sinx2 + 3.0f)*sinx;
+ float sin5x = ((16.0f*sinx2 - 20.0f)*sinx2 + 5.0f)*sinx;
+
+ return volume_*(sinx + ONE_3*sin3x + ONE_5*sin5x) + fpN();
+}
+
+float (*fp[])(float x) = { Sin, Rect, Compo };
+float (*fpS)(float x) = fp[0]; // 起動時は正弦波
+
+// タイマ割り込みに対する割込みサービス･ルーチン
+void TimerIsr()
+{
+ float sinx = FastSin(phi_); // 基本波発生
+ float yn = fpS(sinx); // 指定した信号を発生
+
+ // 同期信号出力
+ syncOut_ = (sinx >= 0) ? 1 : 0;
+
+ if (sw_) dac_.Write(yn); // 出力：ON
+ else dac_.Write(0.0f); // 出力：OFF
+
+ phi_ += dPhi_;
+ if (phi_ >= C0_2_) phi_ = phi_ - C0_; // オーバーフロー防止
+}
+
+int main()
+{
+ // 以下の割り込み優先順位の設定を忘れないこと
+ NVIC_SetPriority(TIM7_IRQn, 0);
+ NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 1); // USART2 割り込み：次に優先
+
+ timer_.Attach(&TimerIsr); // タイマ割り込み設定
+
+ while (true) // PC からの指令に対応する処理
+ {
+ if (rxTx_.IsEol()) // 受信バッファのデータが有効になった場合の処理
+ {
+ string str = rxTx_.GetBuffer();
+ for (int n=0; n<str.size(); n++) str[n] = toupper(str[n]);
+ if (isalpha(str[0])) // 先頭が A ～ Z, a ～ z の場合
+ {
+ if (str == "FG")
+ rxTx_.TxString("ACK\n"); // PC からの "FG" に対して "ACK" を送信する
+
+ if (str == "ON") sw_ = true;
+ if (str == "OFF") sw_ = false;
+
+ if (str == "SIN") fpS = fp[0];
+ if (str == "RECT") fpS = fp[1];
+ if (str == "COMPO") fpS = fp[2];
+
+ if (str == "NSON") fpN = fpNoize[0];
+ if (str == "NSOFF") fpN = fpNoize[1];
+ }
+ else // 先頭が A ～ Z, a ～ z 以外の場合
+ {
+ char c1 = str[0]; // 先頭の文字を取得
+ float x = atof(str.substr(1, str.size()-1).c_str());
+ if (x >= 0.0f)
+ {
+ if (c1 == '#') // 出力振幅の変更
+ volume_ = x*0.9f;
+ if (c1 == '$') // 周波数の変更
+ {
+ x = (x < 10) ? 10 : x;
+ x = (x > 10000) ? 10000 : x;
+ dPhi_ = C0_*x*TS_;
+ }
+ if (c1 == '%') // ノイズの大きさの変更
+ volNoize_ = (x < 1.0f) ? x : 1.0f;
+ }
+ }
+ }
+ }
+}
\ No newline at end of file
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000 +++ b/mbed.bld Sat Oct 17 10:05:58 2020 +0000 @@ -0,0 +1,1 @@ +https://os.mbed.com/users/mbed_official/code/mbed/builds/3a7713b1edbc \ No newline at end of file