Implementation of real-time digital signal processing algorithms using STM32F7xx series microcontrollers

Muhammed Çagri Küçükalp

Master's thesis

Abstract:

This thesis details the design and implementation of firmware tailored for the STM32F7 series microcontroller, focusing on efficiently processing digital signals acquired from an ADC (Analog-to-Digital Converter). The firmware's primary objective is to process these signals in real-time, either outputting them to a DA converter or transmitting them to a higher-level system via various communication methods, including USB (Universal Serial Bus) CDC (Communications Device Class) Virtual COM port. This work includes the development of digital filtering techniques using FIR (Finite Impulse Response) and IIR (Infinite Impulse Response) filters, execution of FFT (Fast Fourier Transform) for spectrum analysis, and implementation of simple recognition algorithms such as DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency) detection. A MATLAB-based graphical user interface is also developed to interact seamlessly with the STM32 microcontroller via a USB CDC Virtual COM port, enabling real-time configuration and visualization of signal processing parameters and results. The firmware architecture supports comprehensive testing and performance analysis, providing insights into the microcontroller's operational limits, efficiency, and scalability in handling real-world signal processing tasks. These analyses demonstrate the capability of the STM32F7 microcontroller to meet the demands of embedded DSP applications.

Abstract:

Tato diplomová práce popisuje návrh a implementaci firmwaru přizpůsobeného pro mikrokontroléry řady STM32F7, se zaměřením na efektivní zpracování digitálních signálů získaných z ADC (převodníku analogového signálu na digitální). Hlavním cílem firmwaru je zpracování těchto signálů v reálném čase, buď jejich výstupem na DA převodník nebo jejich přenosem do vyššího systému prostřednictvím různých komunikačních metod, včetně USB (Univerzální Sériové Magistrály) CDC (Třída Zařízení Komunikace) Virtuálního COM portu. Tato práce zahrnuje vývoj technik digitálního filtrování pomocí FIR (konečné impulzní odezvy) a IIR (nekonečné impulzní odezvy) filtrů, provádění FFT (rychlé Fourierovy transformace) pro analýzu spektra a implementaci jednoduchých algoritmů rozpoznávání, jako je detekce DTMF (dvoutónové vícefrekvenční). Také bylo vyvinuto grafické uživatelské rozhraní založené na MATLABu pro bezproblémovou interakci s mikrokontrolérem STM32 prostřednictvím USB CDC virtuálního COM portu, které umožňuje konfiguraci a vizualizaci parametrů zpracování signálu v reálném čase a výsledků. Architektura firmwaru podporuje komplexní testování a analýzu výkonu, která poskytuje přehled o operačních limitech, efektivitě a škálovatelnosti mikrokontroléru při zvládání úkolů zpracování signálů v reálném světě. Tyto analýzy demonstrují schopnost mikrokontroléru STM32F7 splnit požadavky vestavěných DSP aplikací.

Keywords

Firmware vestavěného DSP, Mikrokontrolér STM32F7, Zpracování signálů v reálném čase, USB CDC virtuální COM port.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Miroslav Holada, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Mechatronics / Mechatronics