ESP32 FFT - IIRフィルタ 特性確認

  github.com/JR3XNW【Filter_sweep_test_SpectrumDisplay_IIR.ino】プログラムを使用してESP32によるIIRフィルタ(LPF)周波数特性の確認を行いました。　   

カットオフ３KHz

参考サイト

●github.com/JR3XNW

【https://github.com/JR3XNW/pico-Program-Lab/blob/main/Filter_sweep_test_SpectrumDisplay_IIR.ino】

SSD1306 OLED

結線

OLED     ESP32

SDA   -   GP21

SCL   -   GP22

VCC   -   3V3

GND   -   GND

Esp32-devkitc-32e 開発ボード

●Esp32-devkitc-32e 開発ボード

【https://www.amazon.co.jp/dp/B0CX1BPJ41?ref=ppx_yo2ov_dt_b_fed_asin_title】

※アマゾンの写真には技適マークがありますが、送られた製品は技適マーク無し（証明書無）

ESP32ボードマネージャ変更

追加ボードマネージャーURLを変更

【https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_dev_index.json】

【esp 32】

【バージョン3.2.0】インストール

係数計算（参考）

デジタルフィルタアナライザ - DIGITALFILTER.COM

【https://digitalfilter.com/products/dfalz/jpdfalz.html】

【dfalz1】ZIPをダウンロードして展開・実行する

【Design】

【カットオフ周波数指定】

【Coefficients】

　→　係数出力

LPF（ローパスフィルター）

double b[filterOrder + 1]  = {a0,a1,a2};

double a[filterOrder + 1] = {1,b1,b2};

　　　　　　　↓

double b[filterOrder + 1] = {0.262842002,0.525684003,0.262842002};

double a[filterOrder + 1] = {1,-0.197631520,0.248999526};

プログラム Arduino IDE【ボード：ESP32 Dev Module】

IIR filter ２次３KHz

//https://github.com/JR3XNW/pico-Program-Lab/blob/main/Filter_sweep_test_SpectrumDisplay_IIR.ino

#include <Arduino.h>

#include <U8g2lib.h>

#include <arduinoFFT.h> // v2.0.2

#include <Wire.h>

U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0);

ArduinoFFT<double> FFT;  // v2.0.2 Explicit data types using templates

//IIR Cutoff-3KHz LPF

// フィルターの係数 (2次のバターワースフィルター)

const int filterOrder = 2;

double b[filterOrder + 1] = { 0.03478604, 0.06957207, 0.03478604 }; // 係数b

double a[filterOrder + 1] = { 1.0, -1.40750534, 0.54664949 }; // 係数a

//IIR Cutoff-3.5KHz LPF

//double b[filterOrder + 1] = {0.262842002,0.525684003,0.262842002};

//double a[filterOrder + 1] = {1,-0.197631520,0.248999526};

double filterBufferX[filterOrder + 1] = {0.0}; //filterBufferX初期化

double filterBufferY[filterOrder + 1] = {0.0}; //filterBufferY初期化

const int samples = 128; // Number of FFT samples.

const float startFrequency = 100.0;  // Start frequency (Hz)

const float endFrequency = 10000.0;  // End frequency (Hz)

// IIRフィルターの実装

double iirFilter(double input) {

  // 入力をバッファに追加

  for (int i = filterOrder; i > 0; i--) {

    filterBufferX[i] = filterBufferX[i - 1];

    filterBufferY[i] = filterBufferY[i - 1];

  }

  filterBufferX[0] = input;

  // フィルター出力の計算

  double output = 0.0;

  for (int i = 0; i <= filterOrder; i++) {

    output += b[i] * filterBufferX[i];

    if (i > 0) {

      output -= a[i] * filterBufferY[i];

    }

  }

  filterBufferY[0] = output;

  return output;

}

// frequency sweep function.

void frequencySweep(double *vReal, double *vImag) {

  float frequencyStep = (endFrequency - startFrequency) / samples;

  for (int i = 0; i < samples; i++) {

    float currentFrequency = startFrequency + (i * frequencyStep);

    float signal = sin(2 * PI * currentFrequency * millis() / 256.0);

    double filteredSignal = iirFilter(signal); //sweep信号→iirフィルタ

    vReal[i] = filteredSignal;

    vImag[i] = 0;

  }

}

// FFT and OLED display functions (line graph display).

void displayFFT(double *vReal, double *vImag) {

  FFT.windowing(vReal, samples, FFTWindow::Hamming, FFTDirection::Forward);  // Use new enum types instead of FFT_WIN_TYP_HAMMING and FFT_FORWARD

  FFT.windowing(vImag, samples, FFTWindow::Hamming, FFTDirection::Forward);

  FFT.compute(vReal, vImag, samples, FFTDirection::Forward);  // Change FFT_REVERSE to FFTDirection::Reverse

  FFT.complexToMagnitude(vReal, vImag, samples);  // No change

  // Clear graph drawing area (overwrite with background color).

  // Here, the graph area is overwritten with a black rectangle.

  u8g2.setDrawColor(0); // Set background color (usually black).

  u8g2.drawBox(0, 0, 128, 52); // Clear graph area.■(始点のX座標, 始点のY座標, 幅, 高さ)

  u8g2.setDrawColor(1); // Re-set the drawing color (white).

  // Drawing FFT results.

  for (int i = 1; i < (samples / 2); i++) {

    int x = map(i, 1, samples / 2, 0, 128); //周波数軸(現数値,現下限,現上限,変換下限,変換上限）

    // Scaling of spectral intensity, changing the third argument (now 14) of the map function

    int y = map(vReal[i], 0, 24, 53, 0); //信号強度(現数値,現下限,現上限,変換下限,変換上限）

    u8g2.drawLine(x, 53, x, y); //スペクトラム表示(始点X座標, 始点Y座標, 終点X座標, 終点Y座標)

  }

  // Display the text "IIR filter 2nd order 3kHz"

  char str[30] = "IIR filter 2nd order 3kHz";

  byte x = u8g2.getStrWidth(str);

  u8g2.setFont(u8g2_font_micro_tr); // Set the font for the numbers

  u8g2.drawStr(128 - x, 5, str);

  // Send buffer to update screen.

  u8g2.sendBuffer();

  delay(20);

}

void setup() {  

  Wire.begin();

  u8g2.begin();  

  // Redraw the static content (lines and texts) each time to prevent flickering

  u8g2.drawLine(0, 53, 128, 53); //周波数軸：□(座標X,座標Y,幅,高さ)

 

  for (int xl = 10; xl < 127; xl += 13) {

    u8g2.drawLine(xl, 53, xl, 55); //周波数目盛(始点X座標, 始点Y座標, 終点X座標, 終点Y座標)

  }

  u8g2.setFont(u8g2_font_micro_tr); // Set the font for the numbers

  u8g2.drawStr(8, 64, "1k");  //(X座標, Y座標, 文字列)

  u8g2.drawStr(21, 64, "2k");

  u8g2.drawStr(34, 64, "3k");

  u8g2.drawStr(47, 64, "4k");

  u8g2.drawStr(60, 64, "5k");

  u8g2.drawStr(73, 64, "6k");

  u8g2.drawStr(86, 64, "7k");

  u8g2.drawStr(99, 64, "8k");

  u8g2.drawStr(112, 64, "9k");

}

void loop() {

  double vReal[samples];