【安富莱DSP教程】第19章 MatrixFunctions的使用（一）
特别说明：完整45期数字信号处理教程，原创高性能示波器代码全开源地址：链接第19章 MatrixFunctions的使用（一）
本期教程主要讲解矩阵运算中的初始化，加法，逆矩阵和减法。
19.1 矩阵初始化 MatInit
19.2 矩阵加法 MatAdd
19.3 逆矩阵 MatInverse
19.4 矩阵减法 MatSub
19.5 总结
19.1 矩阵初始化 MatInit
19.1.1 arm_mat_init_f32
函数定义如下：
void arm_mat_init_f32(
arm_matrix_instance_f32 * S,
uint16_t nRows,
uint16_t nColumns,
float32_t * pData)
参数定义：
*S points to an instance of the floating-point matrix structure.
nRows number of rows in the matrix.
nColumns number of columns in the matrix.
*pData points to the matrix data array.
注意事项：
1. arm_matrix_instance_f32的结构体定义如下（在文件arm_math.h文件里面）：
typedef struct
{
uint16_t numRows; // number of rows of the matrix.
uint16_t numCols; // number of columns of the matrix.
float32_t *pData; // points to the data of the matrix.
} arm_matrix_instance_f32;
19.1.2 arm_mat_init_q31
函数定义如下：
void arm_mat_init_q31(
arm_matrix_instance_q31 * S,
uint16_t nRows,
uint16_t nColumns,
q31_t * pData)
参数定义：
*S points to an instance of the floating-point matrix structure.
nRows number of rows in the matrix.
nColumns number of columns in the matrix.
*pData points to the matrix data array.
注意事项：
1. arm_matrix_instance_q31的结构体定义如下（在文件arm_math.h文件里面）：
typedef struct
{
uint16_t numRows; // number of rows of the matrix.
uint16_t numCols; // number of columns of the matrix.
q31_t *pData; // points to the data of the matrix.
} arm_matrix_instance_q31;
19.1.3 arm_mat_init_q15
函数定义如下：
void arm_mat_init_q15(
arm_matrix_instance_q15 * S,
uint16_t nRows,
uint16_t nColumns,
q15_t * pData)
参数定义：
*S points to an instance of the floating-point matrix structure.
nRows number of rows in the matrix.
nColumns number of columns in the matrix.
*pData points to the matrix data array.
注意事项：
1. arm_matrix_instance_q15的结构体定义如下（在文件arm_math.h文件里面）：
typedef struct
{
uint16_t numRows; // number of rows of the matrix.
uint16_t numCols; // number of columns of the matrix.
q15_t *pData; // points to the data of the matrix.
} arm_matrix_instance_q15;
19.1.4 实例讲解
实验目的：
1. 学习MatrixFunctions中矩阵的初始化
实验内容：
1. 按下按键K1, 串口打印函数DSP_MatInit的输出结果
实验现象：
通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：
程序设计：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_MatInit
* 功能说明: 矩阵数据初始化
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void DSP_MatInit(void)
{
uint8_t i;
/****浮点数数组******************************************************************/
float32_t pDataA = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
arm_matrix_instance_f32 pDst;
/****定点数Q31数组******************************************************************/
q31_t pDataA1 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
arm_matrix_instance_q31 pSrcA1; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q31 pDst1;
/****定点数Q15数组******************************************************************/
q15_t pDataA2 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
arm_matrix_instance_q15 pSrcA2; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q15 pDst2;
/****浮点数***********************************************************************/
printf("****浮点数******************************************\r\n");
arm_mat_init_f32(&pSrcA, 3,3, pDataA);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataA[%d] = %f\r\n", i, pDataA);
}
/****定点数Q31***********************************************************************/
printf("****浮点数******************************************\r\n");
arm_mat_init_q31(&pSrcA1, 3,3, pDataA1);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataA1[%d] = %d\r\n", i, pDataA1);
}
/****定点数Q15***********************************************************************/
printf("****浮点数******************************************\r\n");
arm_mat_init_q15(&pSrcA2, 3,3, pDataA2);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataA2[%d] = %d\r\n", i, pDataA2);
}
} 19.2 矩阵加法 MatAdd
19.2.1 arm_mat_add_f32
公式描述（以3*3矩阵为例进行说明）：
函数定义如下：
arm_status arm_mat_add_f32(
const arm_matrix_instance_f32 * pSrcA,
const arm_matrix_instance_f32 * pSrcB,
arm_matrix_instance_f32 * pDst)
参数定义：
*pSrcA points to the first input matrix structure
*pSrcB points to the second input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
return The function returns either
注意事项：
1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。
19.2.2 arm_mat_add_q31
函数定义如下：
arm_status arm_mat_add_q31(
const arm_matrix_instance_q31 * pSrcA,
const arm_matrix_instance_q31 * pSrcB,
arm_matrix_instance_q31 * pDst)
参数定义：
*pSrcA points to the first input matrix structure
*pSrcB points to the second input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
return The function returns either
注意事项：
1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。
19.2.3 arm_mat_add_q15
函数定义如下：
arm_status arm_mat_add_q15(
const arm_matrix_instance_q15 * pSrcA,
const arm_matrix_instance_q15 * pSrcB,
arm_matrix_instance_q15 * pDst)
参数定义：
*pSrcA points to the first input matrix structure
*pSrcB points to the second input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
return The function returns either
注意事项：
1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。
19.2.4 实例讲解
实验目的：
1. 学习MatrixFunctions中矩阵的加法
实验内容：
1. 按下按键K2, 串口打印函数DSP_MatAdd的输出结果
实验现象：
通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：
程序设计：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_MatAdd
* 功能说明: 矩阵求和
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void DSP_MatAdd(void)
{
uint8_t i;
/****浮点数数组******************************************************************/
float32_t pDataA = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
float32_t pDataB = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
float32_t pDataDst;
arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
arm_matrix_instance_f32 pSrcB; //3行3列数据
arm_matrix_instance_f32 pDst;
/****定点数Q31数组******************************************************************/
q31_t pDataA1 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
q31_t pDataB1 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
q31_t pDataDst1;
arm_matrix_instance_q31 pSrcA1; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q31 pSrcB1; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q31 pDst1;
/****定点数Q15数组******************************************************************/
q15_t pDataA2 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
q15_t pDataB2 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
q15_t pDataDst2;
arm_matrix_instance_q15 pSrcA2; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q15 pSrcB2; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q15 pDst2;
/****浮点数***********************************************************************/
pSrcA.numCols = 3;
pSrcA.numRows = 3;
pSrcA.pData = pDataA;
pSrcB.numCols = 3;
pSrcB.numRows = 3;
pSrcB.pData = pDataB;
pDst.numCols = 3;
pDst.numRows = 3;
pDst.pData = pDataDst;
printf("****浮点数******************************************rn");
arm_mat_add_f32(&pSrcA, &pSrcB, &pDst);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataDst[%d] = %frn", i, pDataDst);
}
/****定点数Q31***********************************************************************/
pSrcA1.numCols = 3;
pSrcA1.numRows = 3;
pSrcA1.pData = pDataA1;
pSrcB1.numCols = 3;
pSrcB1.numRows = 3;
pSrcB1.pData = pDataB1;
pDst1.numCols = 3;
pDst1.numRows = 3;
pDst1.pData = pDataDst1;
printf("****定点数Q31******************************************rn");
arm_mat_add_q31(&pSrcA1, &pSrcB1, &pDst1);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataDst1[%d] = %drn", i, pDataDst1);
}
/****定点数Q15***********************************************************************/
pSrcA2.numCols = 3;
pSrcA2.numRows = 3;
pSrcA2.pData = pDataA2;
pSrcB2.numCols = 3;
pSrcB2.numRows = 3;
pSrcB2.pData = pDataB2;
pDst2.numCols = 3;
pDst2.numRows = 3;
pDst2.pData = pDataDst2;
printf("****定点数Q15******************************************rn");
arm_mat_add_q15(&pSrcA2, &pSrcB2, &pDst2);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataDst2[%d] = %drn", i, pDataDst2);
}
}
1. 矩阵的加法从C语言的实现上来看，比较的容易，下面通过Matlab来求解矩阵和（在命令窗口输入）。
19.3 逆矩阵 MatInverse
19.3.1 arm_mat_inverse_f32
公式描述（Gauss-Jordan法求逆矩阵）：
函数定义如下：
arm_status arm_mat_inverse_f32(
const arm_matrix_instance_f32 * pSrc,
arm_matrix_instance_f32 * pDst)
参数定义：
*pSrc points to input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
注意事项：
1. pSrc必须得是方阵（行数和列数相同）。
2. pSrc和pDst必须是相同的方阵。
3. 输入的矩阵可逆，函数会返回ARM_MATH_SUCCESS，如果不可逆，返回ARM_MATH_SINGULAR。
4. ARM官方库只提供了浮点数矩阵求逆矩阵。
19.3.2 实例讲解
实验目的：
1. 学习MatrixFunctions中逆矩阵的求解
实验内容：
1. 按下按键K3, 串口打印函DSP_MatInverse的输出结果
实验现象：
通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：
程序设计：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_MatInverse
* 功能说明: 求逆矩阵
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void DSP_MatInverse(void)
{
uint8_t i;
/****浮点数数组******************************************************************/
float32_t pDataA = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
float32_t pDataB;
arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
arm_matrix_instance_f32 pSrcB; //3行3列数据;
/****浮点数***********************************************************************/
pSrcA.numCols = 3;
pSrcA.numRows = 3;
pSrcA.pData = pDataA;
pSrcB.numCols = 3;
pSrcB.numRows = 3;
pSrcB.pData = pDataB;
arm_mat_inverse_f32(&pSrcA, &pSrcB);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataB[%d] = %frn", i, pDataB);
}
}
1. 用C语言实现逆矩阵要稍麻烦些，下面我们通过Matlab来实现求逆矩阵（数据和上面代码中的程序一样）
可以看出求得结果跟上面的C函数求得结果基本一致。 19.4 矩阵减法 MatSub
19.4.1 arm_mat_sub_f32
公式描述（以3*3矩阵为例进行说明）：
函数定义如下：
arm_status arm_mat_sub_f32(
const arm_matrix_instance_f32 * pSrcA,
const arm_matrix_instance_f32 * pSrcB,
arm_matrix_instance_f32 * pDst)
参数定义：
*pSrcA points to the first input matrix structure
*pSrcB points to the second input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
return The function returns either
注意事项：
1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。
19.4.2 arm_mat_add_q31
函数定义如下：
arm_status arm_mat_add_q31(
const arm_matrix_instance_q31 * pSrcA,
const arm_matrix_instance_q31 * pSrcB,
arm_matrix_instance_q31 * pDst)
参数定义：
*pSrcA points to the first input matrix structure
*pSrcB points to the second input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
return The function returns either
注意事项：
1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。
19.4.3 arm_mat_add_q15
函数定义如下：
arm_status arm_mat_add_q15(
const arm_matrix_instance_q15 * pSrcA,
const arm_matrix_instance_q15 * pSrcB,
arm_matrix_instance_q15 * pDst)
参数定义：
*pSrcA points to the first input matrix structure
*pSrcB points to the second input matrix structure
*pDst points to output matrix structure
return The function returns either
注意事项：
1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。
19.4.4 实例讲解
实验目的：
1. 学习MatrixFunctions中矩阵的加法
实验内容：
1. 按下按键K2, 串口打印函数DSP_MatAdd的输出结果
实验现象：
通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：
程序设计：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: DSP_MatSub
* 功能说明: 矩阵减法
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void DSP_MatSub(void)
{
uint8_t i;
/****浮点数数组******************************************************************/
float32_t pDataA = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
float32_t pDataB = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
float32_t pDataDst;
arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
arm_matrix_instance_f32 pSrcB; //3行3列数据
arm_matrix_instance_f32 pDst;
/****定点数Q31数组******************************************************************/
q31_t pDataA1 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
q31_t pDataB1 = {2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2};
q31_t pDataDst1;
arm_matrix_instance_q31 pSrcA1; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q31 pSrcB1; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q31 pDst1;
/****定点数Q15数组******************************************************************/
q15_t pDataA2 = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
q15_t pDataB2 = {2, 2, 2, 2, 23, 2, 2, 2, 2};
q15_t pDataDst2;
arm_matrix_instance_q15 pSrcA2; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q15 pSrcB2; //3行3列数据
arm_matrix_instance_q15 pDst2;
/****浮点数***********************************************************************/
pSrcA.numCols = 3;
pSrcA.numRows = 3;
pSrcA.pData = pDataA;
pSrcB.numCols = 3;
pSrcB.numRows = 3;
pSrcB.pData = pDataB;
pDst.numCols = 3;
pDst.numRows = 3;
pDst.pData = pDataDst;
printf("****浮点数******************************************rn");
arm_mat_sub_f32(&pSrcA, &pSrcB, &pDst);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataDst[%d] = %frn", i, pDataDst);
}
/****定点数Q31***********************************************************************/
pSrcA1.numCols = 3;
pSrcA1.numRows = 3;
pSrcA1.pData = pDataA1;
pSrcB1.numCols = 3;
pSrcB1.numRows = 3;
pSrcB1.pData = pDataB1;
pDst1.numCols = 3;
pDst1.numRows = 3;
pDst1.pData = pDataDst1;
printf("****定点数Q31******************************************rn");
arm_mat_sub_q31(&pSrcA1, &pSrcB1, &pDst1);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataDst1[%d] = %drn", i, pDataDst1);
}
/****定点数Q15***********************************************************************/
pSrcA2.numCols = 3;
pSrcA2.numRows = 3;
pSrcA2.pData = pDataA2;
pSrcB2.numCols = 3;
pSrcB2.numRows = 3;
pSrcB2.pData = pDataB2;
pDst2.numCols = 3;
pDst2.numRows = 3;
pDst2.pData = pDataDst2;
printf("****定点数Q15******************************************rn");
arm_mat_sub_q15(&pSrcA2, &pSrcB2, &pDst2);
for(i = 0; i < 9; i++)
{
printf("pDataDst2[%d] = %drn", i, pDataDst2);
}
}
1. 矩阵的减法从C语言的实现上来看，比较的容易，下面通过Matlab来求解矩阵和（在命令窗口输入）。
19.5 总结
本期教程就跟大家讲这么多，有兴趣的可以深入研究下算法的具体实现。
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