嵌入式測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的實(shí)現(xiàn)

0 引言

模擬信號(hào)都必須經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換才能被嵌入式控制器接收。但在干擾作用于模擬信號(hào)之后，其A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果往往會(huì)偏離真實(shí)值。因此，僅采樣一次是無(wú)法確定該結(jié)果是否可信的，而必須多次采樣，才能得到一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)系列，然后通過(guò)某種處理，才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。這種從數(shù)據(jù)系列中提取逼近真值的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。相對(duì)于硬件濾波，數(shù)字濾波的優(yōu)越性在于其無(wú)需硬件且可靠性高，尤其對(duì)頻率很高或很低的信號(hào)進(jìn)行濾波。此外，由于對(duì)多輸入通道可共用一個(gè)濾波程序，故可大大降低產(chǎn)品成本。

1 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)中常見的數(shù)字濾波算法

1.1 限幅濾波

首先根據(jù)被測(cè)對(duì)象確定相鄰兩次采樣所允許的最大差值△Y，然后在每次采樣后和上次有效采樣值進(jìn)行比較，如果變化幅度不超過(guò)△Y，則本次采樣有效；否則，本次采樣值被視為干擾而放棄，而以上次采樣值為準(zhǔn)。其原理可用如下公式表示：

其中，yn為第n次采樣值，yn-1為第(n-1)次采樣值。

實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的參考程序(返回有效的采樣值)如下：

限幅濾波主要用于處理變化比較緩慢的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、液位等。該方法使用的關(guān)鍵是要選取合適的門限△Y?！鱕通常可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)也可由實(shí)驗(yàn)得到。

1.2中值濾波

這種濾波方式一般對(duì)目標(biāo)參數(shù)連續(xù)采樣N次(N一般為奇數(shù))，然后把N次采樣值進(jìn)行排序，再取中間值作為有效值。對(duì)于變化很慢的參數(shù)，也可以增加采樣次數(shù)。而對(duì)于變化較為劇烈的參數(shù)，此法不宜采用。其參考程序如下：

1.3算術(shù)平均濾波

該算法對(duì)目標(biāo)參數(shù)先進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該算法適用于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值。信號(hào)在某一數(shù)值附近上下波動(dòng)。信號(hào)的平滑程度完全取決于采樣次數(shù)N，采樣次數(shù)越多，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度也會(huì)下降。為方便求平均值，N一般取4、8、16之類的2的整數(shù)次冪，以便系統(tǒng)用移位法來(lái)代替除法。其參考程序如下：

1.4去極值平均濾波

算術(shù)平均濾波不能消除明顯的脈沖干擾，而只是將其影響削弱。由于明顯干擾會(huì)使采樣值遠(yuǎn)離其真實(shí)值，因此可以比較容易地將其剔除，而不參加平均值計(jì)算，從而使平均濾波的輸出值更接近真實(shí)值，這就是去極值算法，又稱為防脈沖干擾平均值濾波算法。該方法的原理是連續(xù)采樣N次，并將其累加求和，同時(shí)找出其中的最大值和最小值，再?gòu)睦奂雍椭袦p去最大值和最小值，再按N-2個(gè)采樣值求平均，即可獲得有效采樣值。為方便求平均值，N-2應(yīng)為2、4、8、16，故N常取4、6、10、18。其參考程序如下：

1.5加權(quán)平均濾波

算術(shù)平均濾波和去極值平均濾波均存在平滑性和靈敏性的矛盾。因?yàn)?，采樣次?shù)太少，平滑效果差；采樣次數(shù)太多，靈敏度下降，對(duì)參數(shù)的變化趨勢(shì)不敏感。為協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系，可采用加權(quán)平均濾波。即對(duì)連續(xù)N次采樣值分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加和。加權(quán)系數(shù)一般先小后大，以突出后面若干采樣的效果，來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化趨勢(shì)的辨識(shí)。各個(gè)加權(quán)系數(shù)均應(yīng)是小于1的小數(shù)，且應(yīng)滿足總和等于1的約束條件。這樣，加權(quán)運(yùn)算之后的累加和即為有效采樣值。為方便計(jì)算，可取各加權(quán)系數(shù)均為整數(shù)，且總和為256，加權(quán)運(yùn)算之后的累加和再除以256后便是有效采樣值。其參考程序如下：