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10种AD采样的软件滤波方法及算法

时间:2018-11-09 16:11:39      阅读:172      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:cell   宏定义   取值   去掉   时长   off   new   ||   最小值   

AD采样点的电压多少有点起伏波动,经运放放大后电压的波动如果超过ADC的分辩率,则显示的值会出现波动。波动如果十分大的话, 建议在硬件上滤波,相反,如果波动较小,你可以用软件滤波方法解决这个问题。

1、限幅滤波法(又称程序判断滤波法) 
    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    


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


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        


4、递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法) 
    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        


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


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


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


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


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


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 

 

前面闲来无事,整理了下平时用得比较多的部分MCU滤波算法,当然 代码网上都有,我只是做了一个搬运工,合并了一些算法,整理成模块函数,需要用的时候直接调用就可以。这里简单介绍包含的内容,详细代码和使用说明在附件里。大家可自行查阅。
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AD滤波算法函数模块说明:
  一、该模块包含滤波算法有:中位值滤波、中位值平均滤波、递推平均滤波、一阶滞后滤波。用户可根据项目不同情况选用不同的滤波算法。
1.1、中位值滤波: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。适用范围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。不过对流量、速度等快速变化的参数不宜。
1.2、中位值平均滤波:连续采用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。适用范围:对应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。但是测量速度较慢, 比较浪费RAM。
1.3递推平均滤波: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,把队列中得N个数据进行算术平均运算,就可以获得新的滤波结果。
适用范围: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。缺点是灵敏度低,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。
1.4、一阶滞后滤波:对周期性干扰具有良好的抑制作用,适用于波动频率较高得场合。缺点就是相位滞后,灵敏度低,滞后程度取决于a的大小,不能消除滤波频率高于采样频率1/21/2的干扰信号。本次滤波结果result=(1-a)*本次采样值+a*上次值。a=(0~1)
二、滤波函数
2.1、中位值/中位值平均滤波函数
函数名:FILTER_median(TYPE_STATE Flag)
输入值:Flag:选择中位值滤波或中位值平均滤波
                ON:中位值平均滤波  OFF:中位值滤波
返回值:滤波结果
2.2、递推平均滤波函数
函数名:FILTER_recursive()
输入值:无
返回值:sum:滤波结果
2.3、一阶滞后滤波函数
函数名:FILTER_firstorder()
输入值:无
返回值:value:滤波结果
 
备注:在干电池剩余电量检测中,经过测试对比数据,使用中位值平均滤波算法比较合适。数据整体表现平稳,灵敏度较高,脉冲干扰直接滤除。测试数据如下:
 
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单片机源程序如下:
  1. /*********************************************************
  2. *文件名:  filter.c
  3. *日  期:  2018/7/26
  4. *描  述:  AD滤波算法函数集合
  5. *备  注:  
  6. **********************************************************/
  7. #include "filter.h"
  8. /*************************************
  9.   函数名:Delay
  10.   描  述:软件延时
  11.   输入值:ncount :延时时长
  12.   返回值:无
  13. **************************************/
  14. void Delay(unsigned short int ncount)
  15. {
  16.   for(; ncount != 0; ncount--);
  17. /*
  18. uint16_t FILTER_limit()                                        //限幅滤波  A为两次采样最大偏差值
  19. {
  20.   uint16_t new_value=0,value=0;
  21.   new_value = AD_VALUE;
  22.   if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A ) )
  23.                 return value;
  24.   else
  25.                 return new_value;
  26. }
  27.         
  28. */        
  29.         
  30. /*****************************************************
  31.   函数名:FILTER_median
  32.   描  述:中位值滤波:连续采样N次(N取奇数),
  33.         把N次采样值按大小排列,取中间值为本次有效值。
  34.         适用范围能有效克服因偶然因素引起的波动干扰,
  35.         对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。
  36.         不过对流量、速度等快速变化的参数不宜。
  37.         
  38.   中位值平均滤波:连续采用N个数据,去掉一个最大值
  39.         和一个最小值,然后计算N-2个数据的算术平均值。
  40.         适用范围:对应偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲
  41.         干扰所引起的采样值偏差。但是测量速度较慢, 比较浪费RAM。
  42.         
  43.   输入值:Flag:选择中位值滤波或中位值平均滤波
  44.           ON:中位值平均滤波  OFF:中位值滤波
  45.   返回值:滤波结果
  46.         备注:中位值滤波:N取奇数,N=2^x次方+1 为宜
  47.                                 中位值平均滤波:N=2^x次方+2 为宜
  48. ******************************************************/
  49. unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag)        //中位值滤波   中位值平均滤波  N为采样次数,取奇数  Flag:中位值平均滤波使能
  50. {
  51.                 unsigned short int value_buf[N],temp=0;                        
  52. #if(Flag)
  53.                 unsigned short int sum=0;
  54. #endif
  55.                 unsigned char count,i,j;
  56.                 
  57.                 for (count=0;count<N;count++)
  58.                         {
  59.                                 value_buf[count] = AD_VALUE;
  60.                                 Delay(300);                                                                                                //等待AD转换
  61.                         }
  62.                         
  63.                 for(j=0;j<N-1;j++)                                                                          //排序
  64.                         {
  65.                                 for(i=0;i<N-j-1;i++)        
  66.                                         {
  67.                                                 if ( value_buf[i] > value_buf[i+1] )
  68.                                                         {
  69.                                                                 temp =        value_buf[i];
  70.                                                                 value_buf[i] = value_buf[i+1];
  71.                                                                 value_buf[i+1] = temp;
  72.                                                         }
  73.                                         }
  74.                         }
  75. #if(Flag)
  76.                 for(count=1;count<N-1;count++)                                //中位求平均 由Flag标志控制
  77.                         sum+=value_buf[count];
  78.                         return (uint16_t)(sum/(N-2));
  79. #endif
  80.                 return value_buf[(N-1)/2];                                                //中位值
  81. }
  82. /***************************************************
  83.   函数名:FILTER_recursive
  84.   描  述:递推平均滤波:把连续取N个采样值看成一个队列,
  85.         队列的长度固定为N,每次采样到一个新数据放入队尾,并
  86.         扔掉原来队首的一次数据,把队列中得N个数据进行算术平
  87.         均运算,就可以获得新的滤波结果。
  88.         适用范围:对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高,
  89.         适用于高频振荡的系统。缺点是灵敏度低,对偶然出现的
  90.         脉冲性干扰的抑制作用较差,不易消除由于脉冲干扰所引
  91.         起的采样值偏差,不适用于脉冲干扰比较严重的场合
  92.   输入值:无
  93.   返回值:sum:滤波结果
  94.         备注:N=2^x次方 为宜
  95. ***************************************************/
  96. unsigned short int FILTER_recursive()                                        //递推平均滤波  N为队列长度
  97. {
  98.         unsigned short int sum=0;
  99.         unsigned char count=0;
  100.         static unsigned char i=0,num=0;
  101.         static unsigned short int value_temp[N];
  102.         do{
  103.         if(i<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)
  104.         {                                                                                                                                //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
  105.                 value_temp[i] = AD_VALUE;
  106.                 i++;
  107.                 i=(i==N)?0:i;                                                                        //三目运算 i清零
  108.         }
  109.         num++;
  110.         num=num<N?num:N;
  111. }while(num<N);
  112.         for(count=0;count<N;count++)                
  113.                 sum += value_temp[count];
  114.       
  115.         sum = sum/N;        
  116.         return sum;
  117. }
  118. /*****************************************************************
  119.   函数名:FILTER_firstorder
  120.   描  述:一阶滞后滤波:取a=(0,1)
  121.         本次滤波结果result=(1-a)*本次采样值+a*上次值
  122.         对周期性干扰具有良好的抑制作用,
  123.         适用于波动频率较高得场合。缺点就是相位滞后,灵敏度低,
  124.         滞后程度取决于a的大小,不能消除滤波频率高于采样频率1/21/2的干扰信号
  125.   输入值:无
  126.   返回值:value:滤波结果
  127.         备注:A取值0——100 A值越小,滤波结果越平稳,但是灵敏度越低
  128.                                                                                  A值越大,灵敏度越高,但是滤波结果越不稳定
  129. *****************************************************************/
  130. unsigned short int FILTER_firstorder()                                        //一阶滞后滤波,A取值0——100  
  131. {                                                                                                                                                        
  132.         static unsigned short int value=0;                                                
  133.         unsigned short int new_value;
  134.         value = (value==0)?AD_VALUE:value;        // 三目运算,避免第一次采样value值为0
  135.         new_value = AD_VALUE;                                                                
  136.         
  137.         value = (100-A)*value/100 + A*new_value/100;
  138.         return value;
  139. }
复制代码

  1. /*********************************************************
  2. *文件名:  filter.h
  3. *日  期:  2018/7/26
  4. *描  述:  AD滤波算法函数头文件
  5. *备  注:  
  6. **********************************************************/
  7. #ifndef __FILTER_H__
  8. #define __FILTER_H__
  9. //typedef unsigned          char uint8_t;
  10. //typedef unsigned short     int uint16_t;
  11. //typedef unsigned           int uint32_t;
  12. //typedef unsigned       __int64 uint64_t;
  13. typedef enum {OFF = 0x0, ON = 0x1} TYPE_STATE;
  14. extern unsigned short int meanvalue;                                //        ADC值声明 meanvalue根据情况改变
  15. #define  AD_VALUE          meanvalue                //        ADC采集值 meanvalue根据情况改变可直接宏定义AD函数
  16. #define A 50                                                                                // 一阶滞后滤波系数
  17. #define N 9                                                                                // 采样次数 不同的滤波方法取值不同
  18. #define TIME        300                                                        //AD读取延时,等待AD采集完成 大致够AD采集时间即可
  19. /******** 函******* 数 ******* 声 ******* 明 ********/
  20. unsigned short int FILTER_limit(void);                  //限幅滤波
  21. unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag);                  //中位值滤波   中位值平均滤波 Flag:中位值平均滤波使能
  22. unsigned short int FILTER_recursive(void);        //递推平均滤波
  23. unsigned short int FILTER_firstorder(void);        //一阶滞后滤波
  24. #endif

10种AD采样的软件滤波方法及算法

标签:cell   宏定义   取值   去掉   时长   off   new   ||   最小值   

原文地址:https://www.cnblogs.com/forever5325/p/9934658.html

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