【Filter】AD转换中常用的十种数字滤波法

在AD采集中经常要用到数字滤波，而不同情况下又有不同的滤波需求，下面是10种经典的软件滤波方法的程序和优缺点分析：
  1. 限幅滤波法（又称程序判断滤波法） 
  2. 中位值滤波法 
  3. 算术平均滤波法 
  4. 递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）
  5. 中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法） 
  6. 限幅平均滤波法 
  7. 一阶滞后滤波法 
  8. 加权递推平均滤波法 
  9. 消抖滤波法 
  10. 限幅消抖滤波法
 
1、限副滤波
A、方法： 
  • 根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A） 
  • 每次检测到新值时判断： 

　　　　如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效 

　　　　如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值 

B、优点： 
  • 能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 
C、缺点 
  • 无法抑制那种周期性的干扰 
  • 平滑度差
 
程序：
/* A值可根据实际情况调整value为有效值，new_value为当前采样值滤波程序返回有效的实际值 */ 
 1 #define A 10
 2 char value;
 3 char filter() 
 4 {
 5     char new_value; 
 6     new_value = get_ad(); 
 7     if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A ) )
 8     {
 9          return value;
10     }   
11     else
12     {
13          return new_value;  
14     }   
15 }

 

2、中位值滤波法
A、方法： 
  • 连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列 ，取中间值为本次有效值 
B、优点： 
  • 能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果 
C、缺点： 
  • 对流量、速度等快速变化的参数不宜
 
程序：
/* N值可根据实际情况调整排序采用冒泡法 */
 1 #define N 11
 2 char filter() 
 3 {
 4     charvalue_buf[N]; 
 5     char count,i,j,temp; 
 6     for ( count=0;count<N;count++) 
 7     {
 8         value_buf[count] = get_ad();
 9         delay(); 
10     }
11     for(j=0;j<N-1;j++)
12     {
13         for(i=0;i<N-j－1;i++)
14         {
15             if ( value_buf>value_buf[i+1] )
16             {
17                 temp =value_buf; 
18                 value_buf = value_buf[i+1]; 
19                 value_buf[i+1] = temp;
20             }
21         }
22     }
23 returnvalue_buf[(N-1)/2];
24 }

 

 
3、算术平均滤波法
A、方法： 
  • 连续取N个采样值进行算术平均运算 
　　　　N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低 
　　　　N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高 
　　　　N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4 
B、优点： 
  • 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 
  • 这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动 
C、缺点： 
  • 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 
  • 比较浪费RAM  

程序：
1 #define N 12
 2 char filter() 
 3 {
 4     int sum = 0; 
 5     for ( count=0;count<N;count++) 
 6     {
 7         sum + =get_ad(); 
 8         delay();
 9     } 
10     return (char)(sum/N);
11 }

 

4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） (FIR前身)
A、方法： 
  • 把连续取N个采样值看成一个队列 
  • 队列的长度固定为N 
  • 每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则) 
  • 把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果 
  • N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4 
B、优点： 
  • 对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高 
  • 适用于高频振荡的系统 
C、缺点： 
  • 灵敏度低 
  • 对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差 
  • 不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 
  • 不适用于脉冲干扰比较严重的场合 
  • 比较浪费RAM
 
程序：
 1 #define N 12
 2 char value_buf[N]; 
 3 char i=0;
 4 char filter() 
 5 {
 6     char count; 
 7     int sum=0; 
 8     value_buf[i++] = get_ad(); 
 9     if ( i == N ) i = 0; 
10     for ( count=0;count<N,count++) 
11     {
12         sum+ = value_buf[count]; 
13     }
14     
15     return (char)(sum/N);
16 }

 

5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）
A、方法： 
  • 相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法” 
  • 连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值 
  • 然后计算N-2个数据的算术平均值 
  • N值的选取：3~14 
B、优点： 
  • 融合了两种滤波法的优点 
  • 对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 
C、缺点： 
  • 测量速度较慢，和算术平均滤波法一样 
  • 比较浪费RAM
程序：
1 #define N 12
 2 char filter() 
 3 {
 4     char count,i,j; 
 5     char value_buf[N]; 
 6     int sum=0; 
 7     for (count=0;count<N;count++) 
 8     {
 9         value_buf[count] = get_ad();
10         delay(); 
11     } 
12     for (j=0;j<N-1;j++) 
13     {
14         for (i=0;i<N-j-1;i++)
15         {
16             if ( value_buf>value_buf[i+1] )
17             {
18                 temp = value_buf;
19                 value_buf = value_buf[i+1];
20                 value_buf[i+1] = temp;
21             } 
22         }
23     }
24     for(count=1;count<N-1;count++)
25     {
26         sum +=value[count];
27     }
28     
29     return(char)(sum/(N-2));
30 }

 

6、限幅平均滤波法
A、方法： 
  • 相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法” 
  • 每次采样到的新数据先进行限幅处理， 
  • 再送入队列进行递推平均滤波处理 
B、优点： 
  • 融合了两种滤波法的优点 对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 
C、缺点： 
  • 比较浪费RAM 

程序略 参考子程序1、3
 
7、一阶滞后滤波法

A、方法： 

  • 取a=0~1 
  • 本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果 

B、优点： 

  • 对周期性干扰具有良好的抑制作用 适用于波动频率较高的场合 

C、缺点： 

  • 相位滞后，灵敏度低 滞后程度取决于a值大小 不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号

 

程序：

1 /* 为加快程序处理速度假定基数为100，a=0~100 */
2 #define a 50
3 char value;
4 char filter() 
5 {
6     char new_value; 
7     new_value = get_ad(); 
8     return ((100-a)*value + a*new_value);
9 }

 

8、加权递推平均滤波法
A、方法： 
  • 是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权 
  • 通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。 
  • 给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低 
B、优点： 
  • 适用于有较大纯滞后时间常数的对象 
  • 和采样周期较短的系统 
C、缺点： 
  • 对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号 不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差
程序：
1 /* coe数组为加权系数表，存在程序存储区。*/
 2 #define N 12
 3 char code coe[N] ={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; 
 4 char code sum_coe = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;
 5 
 6 char filter() 
 7 {
 8     char count; 
 9     char value_buf[N]; 
10     int sum=0; 
11     for (count=0,count<N;count++) 
12     {
13         value_buf[count] = get_ad();
14         delay();
15     } 
16     for (count=0,count<N;count++)
17     {
18         sum += value_buf[count]*coe[count]; 
19     }
20     
21     return (char)(sum/sum_coe);
22 }

 

9、消抖滤波法
A、方法： 
  • 设置一个滤波计数器 
  • 将每次采样值与当前有效值比较： 
  • 如果采样值＝当前有效值，则计数器清零 
  • 如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N(溢出) 
  • 如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器 
B、优点： 
  • 对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果, 
  • 可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动 
C、缺点： 
  • 对于快速变化的参数不宜 
  • 如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统
程序：
1 #define N 12
 2 char filter()
 3 {
 4     char count=0;
 5     char new_value;
 6     new_value =get_ad();
 7     while (value!=new_value)
 8     {
 9         count++;
10         if (count>=N)return new_value;
11         delay();
12         new_value =get_ad();
13     }
14 return value;
15 }

 

10、限幅消抖滤波法
A、方法： 
  • 相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法” 
  • 先限幅,后消抖 
B、优点： 
  • 继承了“限幅”和“消抖”的优点 
  • 改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统 
C、缺点： 
  • 对于快速变化的参数不宜
程序略 参考子程序1、9
 

 

来源        

posted @ 2018-01-31 10:10  壹点灵异  阅读(721)  评论(0)  编辑  收藏  举报