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第14章 DSP统计函数-最大值，最小值，平均值和功率
本期教程主要讲解统计函数中的最大值，最小值，平均值和功率的计算。
14.1 初学者重要提示
14.2 DSP基础运算指令
14.3 最大值（Maximum）
14.4 最小值（Minimum）
14.5 平均值（Mean）
14.6 功率（Power）
14.7 实验例程说明（MDK）
14.8 实验例程说明（IAR）
14.9 总结
14.1 初学者重要提示
- 特别注意本章13.5.2小节的问题，定点数求解平方根。
- 本章13.6小节给出了Matlab2018a手动加载数据的方法。如果要看Matlab2012，参考第1版DSP教程：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=3886 。
14.2 DSP基础运算指令
本章没有用到DSP指令。
14.3 最大值（Maximum）
这部分函数用于计算数组中的最大值，并返回数组中的最大值和最大值在数组中的位置。
14.3.1 函数arm_max_f32
函数原型：
void arm_max_f32( const float32_t * pSrc, uint32_t blockSize, float32_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
这个函数用于求32位浮点数的最大值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最大值。
- 第4个参数是求解出来的最大值在源数据中的位置。
14.3.2 函数arm_max_q31
函数原型：
void arm_max_q31( const q31_t * pSrc, uint32_t blockSize, q31_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求32位定点数的最大值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最大值。
- 第4个参数是求解出来的最大值在源数据中的位置。
14.3.3 函数arm_max_q15
函数原型：
void arm_max_q15( const q15_t * pSrc, uint32_t blockSize, q15_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求16位定点数的最大值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最大值。
- 第4个参数是求解出来的最大值在源数据中的位置。
14.3.4 函数arm_max_q7
函数原型：
void arm_max_q7( const q7_t * pSrc, uint32_t blockSize, q7_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求8位定点数的最大值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最大值。
- 第4个参数是求解出来的最大值在源数据。
14.3.5 使用举例
程序设计：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Max * 功能说明: 求最大值 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Max(void) { float32_t pSrc[10] = {0.6948f, 0.3171f, 0.9502f, 0.0344f, 0.4387f, 0.3816f, 0.7655f, 0.7952f, 0.1869f, 0.4898f}; float32_t pResult; uint32_t pIndex; q31_t pSrc1[10]; q31_t pResult1; q15_t pSrc2[10]; q15_t pResult2; q7_t pSrc3[10]; q7_t pResult3; arm_max_f32(pSrc, 10, &pResult, &pIndex); printf("arm_max_f32 : pResult = %f pIndex = %d ", pResult, pIndex); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc1[pIndex] = rand(); } arm_max_q31(pSrc1, 10, &pResult1, &pIndex); printf("arm_max_q31 : pResult = %d pIndex = %d ", pResult1, pIndex); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc2[pIndex] = rand()%32768; } arm_max_q15(pSrc2, 10, &pResult2, &pIndex); printf("arm_max_q15 : pResult = %d pIndex = %d ", pResult2, pIndex); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc3[pIndex] = rand()%128; } arm_max_q7(pSrc3, 10, &pResult3, &pIndex); printf("arm_max_q7 : pResult = %d pIndex = %d ", pResult3, pIndex); printf("****************************************************************** "); }
实验现象：
14.4 最小值（Minimum）
这部分函数用于计算数组中的最小值，并返回数组中的最小值和最小值在数组中的位置。
14.4.1 函数arm_min_f32
函数原型：
void arm_min_f32( const float32_t * pSrc, uint32_t blockSize, float32_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
这个函数用于求32位浮点数的最小值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最小值。
- 第4个参数是求解出来的最小值在源数据中的位置。
14.4.2 函数arm_min_q31
函数原型：
void arm_min_q31( const q31_t * pSrc, uint32_t blockSize, q31_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求32位定点数的最小值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最小值。
- 第4个参数是求解出来的最小值在源数据中的位置。
14.4.3 函数arm_min_q15
函数原型：
void arm_min_q15( const q15_t * pSrc, uint32_t blockSize, q15_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求16位定点数的最小值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最小值。
- 第4个参数是求解出来的最小值在源数据中的位置。
14.4.4 函数arm_min_q7
函数原型：
void arm_min_q7( const q7_t * pSrc, uint32_t blockSize, q7_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求8位定点数的最小值。
函数参数：
- 第1个参数源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是求解出来的最小值。
- 第4个参数是求解出来的最小值在源数据中的位置。
14.4.5 使用举例
程序设计：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Min * 功能说明: 求最小值 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Min(void) { float32_t pSrc[10] = {0.6948f, 0.3171f, 0.9502f, 0.0344f, 0.4387f, 0.3816f, 0.7655f, 0.7952f, 0.1869f, 0.4898f}; float32_t pResult; uint32_t pIndex; q31_t pSrc1[10]; q31_t pResult1; q15_t pSrc2[10]; q15_t pResult2; q7_t pSrc3[10]; q7_t pResult3; arm_min_f32(pSrc, 10, &pResult, &pIndex); printf("arm_min_f32 : pResult = %f pIndex = %d ", pResult, pIndex); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc1[pIndex] = rand(); } arm_min_q31(pSrc1, 10, &pResult1, &pIndex); printf("arm_min_q31 : pResult = %d pIndex = %d ", pResult1, pIndex); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc2[pIndex] = rand()%32768; } arm_min_q15(pSrc2, 10, &pResult2, &pIndex); printf("arm_min_q15 : pResult = %d pIndex = %d ", pResult2, pIndex); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc3[pIndex] = rand()%128; } arm_min_q7(pSrc3, 10, &pResult3, &pIndex); printf("arm_min_q7 : pResult = %d pIndex = %d ", pResult3, pIndex); printf("****************************************************************** "); }
实验现象：
14.5 平均值（Mean）
这部分函数用于计算数组的平均值，公式描述如下：
Result = (pSrc[0] + pSrc[1] + pSrc[2] + ... + pSrc[blockSize-1]) / blockSize。
14.5.1 函数arm_mean_f32
函数原型：
void arm_mean_f32( const float32_t * pSrc, uint32_t blockSize, float32_t * pResult)
函数描述：
用于求解32位浮点数的平均值。
函数形参：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
14.5.2 函数arm_mean_q31
函数原型：
void arm_mean_q31( const q31_t * pSrc, uint32_t blockSize, q31_t * pResult)
函数描述：
用于求32位定点数的平均值。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
注意事项：
求平均前的数据之和是赋值给了64位累加器，然后再求平均。
14.5.3 函数arm_mean_q15
函数原型：
void arm_mean_q15( const q15_t * pSrc, uint32_t blockSize, q15_t * pResult)
函数描述：
用于求16位定点数的平均值。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
注意事项：
求平均前的数据之和是赋值给了32位累加器，然后再求平均。
14.5.4 函数arm_mean_q7
函数原型：
void arm_mean_q7( const q7_t * pSrc, uint32_t blockSize, q7_t * pResult)
函数描述：
用于求8位定点数的平均值。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
注意事项：
- 求平均前的数据之和是赋值给了16位累加器，然后再求平均。
14.5.5 使用举例
程序设计：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Mean * 功能说明: 求平均 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Mean(void) { float32_t pSrc[10] = {0.6948f, 0.3171f, 0.9502f, 0.0344f, 0.4387f, 0.3816f, 0.7655f, 0.7952f, 0.1869f, 0.4898f}; float32_t pResult; uint32_t pIndex; q31_t pSrc1[10]; q31_t pResult1; q15_t pSrc2[10]; q15_t pResult2; q7_t pSrc3[10]; q7_t pResult3; arm_mean_f32(pSrc, 10, &pResult); printf("arm_mean_f32 : pResult = %f ", pResult); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc1[pIndex] = rand(); } arm_mean_q31(pSrc1, 10, &pResult1); printf("arm_mean_q31 : pResult = %d ", pResult1); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc2[pIndex] = rand()%32768; } arm_mean_q15(pSrc2, 10, &pResult2); printf("arm_mean_q15 : pResult = %d ", pResult2); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc3[pIndex] = rand()%128; } arm_mean_q7(pSrc3, 10, &pResult3); printf("arm_mean_q7 : pResult = %d ", pResult3); printf("****************************************************************** "); }
实验现象：
14.6 功率（Power）
这部分函数用于计算数组的功率。公式描述如下：
Result = pSrc[0] * pSrc[0] + pSrc[1] * pSrc[1] + pSrc[2] * pSrc[2] + ... + pSrc[blockSize-1] * pSrc[blockSize-1];
14.6.1 函数arm_power_f32
函数原型：
void arm_power_f32( const float32_t * pSrc, uint32_t blockSize, float32_t * pResult)
函数描述：
用于求32位浮点数的功率值。
函数形参：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
14.6.2 函数arm_power_q31
函数原型：
void arm_power_q31( const q31_t * pSrc, uint32_t blockSize, q63_t * pResult)
函数描述：
用于求32位定点数的功率值。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
注意事项：
输入参数是1.31格式，两个数据的乘积就是1.31*1.31 = 2.62格式，这里将此结果右移14位，也就是将低14位数据截取掉，最终的输出做64位饱和运算，结果是16.48格式。
14.6.3 函数arm_power_q15
函数原型：
void arm_power_q15( const q15_t * pSrc, uint32_t blockSize, q63_t * pResult)
函数描述：
用于求16位定点数的功率值。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
注意事项：
输入参数是1.15格式，两个数据的乘积就是1.15*1.15 = 2.30格式，最终的输出做64位饱和运算，结果是34.30格式。
14.6.4 函数arm_power_q7
函数原型：
void arm_min_q7( const q7_t * pSrc, uint32_t blockSize, q7_t * pResult, uint32_t * pIndex)
函数描述：
用于求8位定点数的功率值。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是源数据个数。
- 第3个参数是数据结果。
注意事项：
输入参数是1.7格式，两个数据的乘积就是1.7*1.7 = 2.14格式，最终的输出做32位饱和运算，结果是18.14格式。
14.6.5 使用举例
程序设计：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Power * 功能说明: 求功率 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Power(void) { float32_t pSrc[10] = {0.6948f, 0.3171f, 0.9502f, 0.0344f, 0.4387f, 0.3816f, 0.7655f, 0.7952f, 0.1869f, 0.4898f}; float32_t pResult; uint32_t pIndex; q31_t pSrc1[10]; q63_t pResult1; q15_t pSrc2[10]; q63_t pResult2; q7_t pSrc3[10]; q31_t pResult3; arm_power_f32(pSrc, 10, &pResult); printf("arm_power_f32 : pResult = %f ", pResult); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc1[pIndex] = rand(); } arm_power_q31(pSrc1, 10, &pResult1); printf("arm_power_q31 : pResult = %lld ", pResult1); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc2[pIndex] = rand()%32768; } arm_power_q15(pSrc2, 10, &pResult2); printf("arm_power_q15 : pResult = %lld ", pResult2); /*****************************************************************/ for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++) { pSrc3[pIndex] = rand()%128; } arm_power_q7(pSrc3, 10, &pResult3); printf("arm_power_q7 : pResult = %d ", pResult3); printf("****************************************************************** "); }
实验现象：
14.7 实验例程说明（MDK）
配套例子：
V5-209_DSP统计运算（最大值，最小值，平均值和功率）
实验目的：
- 学习DSP快速运算（三角函数和平方根）
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1, DSP求最大值。
- 按下按键K2, DSP求最小值。
- 按下按键K3, DSP求平均值。
- 按下摇杆OK键, DSP求功率。
使用AC6注意事项
特别注意附件章节C的问题
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1。
详见本章的3.5 4.5，5.5小节。
程序设计：
系统栈大小分配：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_Init * 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次 * 形 参：无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_Init(void) { /* STM32F407 HAL 库初始化，此时系统用的还是F407自带的16MHz，HSI时钟: - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。 - 设置NVIV优先级分组为4。 */ HAL_Init(); /* 配置系统时钟到168MHz - 切换使用HSE。 - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。 */ SystemClock_Config(); /* Event Recorder： - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。 - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章 */ #if Enable_EventRecorder == 1 /* 初始化EventRecorder并开启 */ EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U); EventRecorderStart(); #endif bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */ bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */ bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */ bsp_InitLed(); /* 初始化LED */ bsp_InitESP8266(); /* 配置ESP8266模块相关的资源 */ }
主功能：
主程序实现如下操作：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1, DSP求最大值。
- 按下按键K2, DSP求最小值。
- 按下按键K3, DSP求平均值。
- 按下摇杆OK键, DSP求功率。
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: main * 功能说明: c程序入口 * 形 参: 无 * 返 回 值: 错误代码(无需处理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */ bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */ bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ /* 进入主程序循环体 */ while (1) { bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */ /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(2); } ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */ if (ucKeyCode != KEY_NONE) { switch (ucKeyCode) { case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下，求最大值 */ DSP_Max(); break; case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下, 求小值 */ DSP_Min(); break; case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下，求平方根 */ DSP_Mean(); break; case JOY_DOWN_OK: /* 摇杆上键，求功率 */ DSP_Power(); break; default: /* 其他的键值不处理 */ break; } } } }
14.8 实验例程说明（IAR）
配套例子：
V5-209_DSP统计运算（最大值，最小值，平均值和功率）
实验目的：
- 学习DSP快速运算（三角函数和平方根）
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1, DSP求最大值。
- 按下按键K2, DSP求最小值。
- 按下按键K3, DSP求平均值。
- 按下摇杆OK键, DSP求功率。
使用AC6注意事项
特别注意附件章节C的问题
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1。
详见本章的3.5 4.5，5.5小节。
程序设计：
系统栈大小分配：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_Init * 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次 * 形 参：无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_Init(void) { /* STM32F407 HAL 库初始化，此时系统用的还是F407自带的16MHz，HSI时钟: - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。 - 设置NVIV优先级分组为4。 */ HAL_Init(); /* 配置系统时钟到168MHz - 切换使用HSE。 - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。 */ SystemClock_Config(); /* Event Recorder： - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。 - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章 */ #if Enable_EventRecorder == 1 /* 初始化EventRecorder并开启 */ EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U); EventRecorderStart(); #endif bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */ bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */ bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */ bsp_InitExtIO(); /* 初始化扩展IO */ bsp_InitLed(); /* 初始化LED */ }
主功能：
主程序实现如下操作：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- 按下按键K1, DSP求最大值。
- 按下按键K2, DSP求最小值。
- 按下按键K3, DSP求平均值。
- 按下摇杆OK键, DSP求功率。
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: main * 功能说明: c程序入口 * 形 参: 无 * 返 回 值: 错误代码(无需处理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */ bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */ bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ /* 进入主程序循环体 */ while (1) { bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */ /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(2); } ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */ if (ucKeyCode != KEY_NONE) { switch (ucKeyCode) { case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下，求最大值 */ DSP_Max(); break; case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下, 求小值 */ DSP_Min(); break; case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下，求平方根 */ DSP_Mean(); break; case JOY_DOWN_OK: /* 摇杆上键，求功率 */ DSP_Power(); break; default: /* 其他的键值不处理 */ break; } } } }
14.9 总结
本期教程就跟大家讲这么多，有兴趣的可以深入研究这些函数源码的实现。