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ディジタル信号処理入門 FFTスペアナの制作


録再バッファ作成とLCD表示のプログラミング

STM32マイコンのソースコード解説

図1　Cortexコアを2つ搭載するSTM32H7に，ARM DSPライブラリを実装することで，高性能なFFTスペアナを制作できる．動画では，録音・再生バッファの作成，LCDの表示方法を紹介する．［著・提供］山田 浩之．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．詳細はArm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発

STM32H7を用いた計測通信モジュール開発と信号処理技術の応用

STM32H7シリーズは，高性能な32ビット・マイクロコントローラで，計測通信モジュール開発やディジタル信号処理において強力なツールです．動画では，FFTスペクトラム・アナライザの制作，録音・再生バッファの作成，およびLCDディスプレイでの表示技術を解説します．また，STM32のプログラミングの実例から，開発で使用される主要な技術について説明しています．

FFTスペクトラム・アナライザと録音・再生バッファの基礎

FFT（高速フーリエ変換）は，時間領域の信号を周波数領域に変換する手法です．これにより，録音データを解析し，特定の周波数成分を視覚化できます．

STM32H7はCortex-M7コアを搭載し，ARM DSPライブラリを活用することで効率的にFFT演算を実行できます．

録音されたデータはバッファに格納され，再生時にバッファから順次読み出されます．このバッファ設計では，データのオーバーフローを防ぎ，リアルタイム処理が求められます．録音・再生バッファは，I$^2$C通信やUARTを用いた外部デバイスとのデータ転送にも活用されます．

LCDディスプレイでのスペクトログラム表示

タッチパネル対応のLCDでリアルタイムなスペクトラム表示を行うために，STM32のTouchGFXライブラリが用いられます．

GUIデザイン画面で表示領域をカスタマイズし，ウィジェットの追加によって波形やスペクトログラムを表示します．プログラムはC++クラスで設計され，各ウィジェットはTouchGFX経由でC++コードから呼び出されます．

スワイプ・コンテナを使用してページを切り替え，波形表示とスペクトログラム表示を共存させることができます．開発者はGUIのレイアウト調整を終えた後，C++ファイル（`*.cpp`および`*.hpp`）をジェネレートし，追加のライブラリやドライバを含む環境を構築します．

STM32H7とDSPライブラリの活用

STM32H7のCortex-M7コアは高速な演算性能をもち，DSPライブラリを利用することでリアルタイムなデータ処理が可能です．FFT処理では，録音された音声データを瞬時に周波数解析し，スペクトログラムとして表示できます．

録音・再生バッファの最適化

録音データはRAMバッファに保存され，タイムクリティカルな処理が求められます．適切なバッファサイズとDMA（Direct Memory Access）の使用が，途切れのないデータ・ストリームを保証します．

TouchGFXを用いたGUI設計

STM32のGUI開発では，TouchGFXを使用することで高度な視覚的インターフェースを構築できます．LCDディスプレイのタッチ操作とスワイプ動作を活用し，複数の表示モードを切り替えることが可能です．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 2015年　都内電子機器メーカに入社．主にUSB3.1やDisplayPort，MIPI，車載向けSer/Desなど高速インタフェース変換基板の設計開発．回路設計からファームウェア，ソフトウェア開発(C/C++)を担当
  • 2023年　「Y-Logic」として独立開業

著書

  1. 世界統一規格新USBType-C攻略DVD 特集 第4部，トランジスタ技術2020年2月号，CQ出版社．
  2. 電池交換不要！消費電流1μA未満のソーラ充電式導通チェッカ，トランジスタ技術2020年10月号，CQ出版社．
  3. AVRでサクッとマイコン開発(特集すべて)，トランジスタ技術2021年4月号，CQ出版社．
  4. 3桁表示ミリオーム計の設計・製作，トランジスタ技術2021年6月号，CQ出版社．
  5. 直流バイアス付きコンデンサ容量計，トランジスタ技術2021年11月号-2022年3月号(短期連載)，CQ出版社．
  6. 超便利！ICの故障・真贋チェッカの製作，トランジスタ技術2023年3月号，CQ出版社
  7. 作る！わかる！USBType-C＆電源(特集)第1部3-4章，トランジスタ技術2023年6月号，CQ出版社．
  8. 20mVステップUSB可変電源の製作，トランジスタ技術2023年9月号，CQ出版社．
  9. 「大安」「仏滅」を計算する六曜カレンダ回路の製作，トランジスタ技術2024年3月号，CQ出版社．

参考文献

  1. ［VOD/KIT］STM32マイコン＆Wi-Fiモジュールで学ぶ C/C++プログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. 実験しながら学ぶフーリエ解析とディジタル信号処理［Vol.1：フーリエ解析の基本「三角関数」の正しい理解］
  3. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】