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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）

14.3.1 函数arm_max_f32

14.3.2 函数arm_max_q31

14.3.3 函数arm_max_q15

14.3.4 函数arm_max_q7

14.3.5 使用举例

14.4 最小值（Minimum）

14.4.1 函数arm_min_f32

14.4.2 函数arm_min_q31

14.4.3 函数arm_min_q15

14.4.4 函数arm_min_q7

14.4.5 使用举例

14.5 平均值（Mean）

14.5.1 函数arm_mean_f32

14.5.2 函数arm_mean_q31

14.5.3 函数arm_mean_q15

14.5.4 函数arm_mean_q7

14.5.5 使用举例

14.6 功率（Power）

14.6.1 函数arm_power_f32

14.6.2 函数arm_power_q31

14.6.3 函数arm_power_q15

14.6.4 函数arm_power_q7

14.6.5 使用举例

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\r\n", 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\r\n", 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\r\n", 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\r\n", pResult3, pIndex);printf("******************************************************************\r\n");
}

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\r\n", 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\r\n", 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\r\n", 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\r\n", pResult3, pIndex);printf("******************************************************************\r\n");
}

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\r\n", pResult);/*****************************************************************/for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++){pSrc1[pIndex] = rand();}arm_mean_q31(pSrc1, 10, &pResult1);printf("arm_mean_q31 : pResult = %d\r\n", pResult1);/*****************************************************************/for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++){pSrc2[pIndex] = rand()%32768;}arm_mean_q15(pSrc2, 10, &pResult2);printf("arm_mean_q15 : pResult = %d\r\n", pResult2);/*****************************************************************/for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++){pSrc3[pIndex] = rand()%128;}arm_mean_q7(pSrc3, 10, &pResult3);printf("arm_mean_q7 : pResult = %d\r\n", pResult3);printf("******************************************************************\r\n");
}

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\r\n", pResult);/*****************************************************************/for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++){pSrc1[pIndex] = rand();}arm_power_q31(pSrc1, 10, &pResult1);printf("arm_power_q31 : pResult = %lld\r\n", pResult1);/*****************************************************************/for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++){pSrc2[pIndex] = rand()%32768;}arm_power_q15(pSrc2, 10, &pResult2);printf("arm_power_q15 : pResult = %lld\r\n", pResult2);/*****************************************************************/for(pIndex = 0; pIndex < 10; pIndex++){pSrc3[pIndex] = rand()%128;}arm_power_q7(pSrc3, 10, &pResult3);printf("arm_power_q7 : pResult = %d\r\n", pResult3);printf("******************************************************************\r\n");
}

实验现象：

14.7 实验例程说明（MDK）

配套例子：

V6-209_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();
#endifbsp_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;}}}
}

14.8 实验例程说明（IAR）

配套例子：

V6-209_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();
#endifbsp_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;}}}
}