01單片機(jī)數(shù)字濾波應(yīng)用

單片機(jī)作為控制外圍器件、實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)處理的核心部件，在特定場(chǎng)合下也需應(yīng)對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算的挑戰(zhàn)，盡管這并非其強(qiáng)項(xiàng)。本文將深入探討如何利用單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。

在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)遇到數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差是由隨機(jī)干擾引起的，其特點(diǎn)是在相同條件下測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)會(huì)現(xiàn)無(wú)規(guī)則的變化而無(wú)法預(yù)測(cè)，但多次測(cè)量的結(jié)果符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為克服隨機(jī)干擾引起的誤差，硬件上可采用濾波技術(shù)，軟件上可采用軟件算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。濾波算法往往是系統(tǒng)測(cè)控算法的一個(gè)重要組成部分，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。

采用數(shù)字濾波算法克服隨機(jī)干擾的誤差具有以下優(yōu)點(diǎn)：

l 數(shù)字濾波無(wú)需其他的硬件成本，只用一個(gè)計(jì)算過(guò)程，可靠性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題。尤其是數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，這是模擬濾波器做不到的。

l 數(shù)字濾波使用軟件算法實(shí)現(xiàn)，多輸入通道可共用一個(gè)濾波程序，降低系統(tǒng)開(kāi)支。

l 只要適當(dāng)改變?yōu)V波器的濾波程序或運(yùn)算，就能方便地改變其濾波特性，這對(duì)于濾除低頻干擾和隨機(jī)信號(hào)會(huì)有較大的效果。

l 在單片機(jī)系統(tǒng)中常用的濾波算法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波等。

> 隨機(jī)誤差與濾波方法

在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，隨機(jī)誤差是一個(gè)不可避免的問(wèn)題。這種誤差源于隨機(jī)干擾，其特性是在相同條件下重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差的大小和符號(hào)會(huì)呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的變化，難以預(yù)測(cè)，但多次測(cè)量的結(jié)果卻遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為了有效應(yīng)對(duì)這種隨機(jī)干擾引起的誤差，我們可以采取兩種策略：一是從硬件層面實(shí)施濾波技術(shù)，二是通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。這兩種方法都是系統(tǒng)測(cè)控算法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有很高的實(shí)時(shí)性要求。

> 數(shù)字濾波的優(yōu)越性

采用數(shù)字濾波算法來(lái)減少隨機(jī)干擾誤差的好處多多，包括提高信號(hào)質(zhì)量、增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性等。數(shù)字濾波相較于模擬濾波，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。它無(wú)需額外硬件成本，僅通過(guò)計(jì)算過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)，且可靠性極高，無(wú)需擔(dān)憂阻抗匹配問(wèn)題。尤為值得一提的是，數(shù)字濾波能輕松應(yīng)對(duì)頻率極低的信號(hào)，這是模擬濾波器難以做到的。此外，軟件算法還能驅(qū)動(dòng)多個(gè)輸入通道共享同一套濾波程序，從而有效降低系統(tǒng)成本。數(shù)字濾波的靈活性極高，通過(guò)調(diào)整濾波器的程序或運(yùn)算方式，便能輕松改變其濾波特性。

> 常用濾波算法

單片機(jī)系統(tǒng)中常用的濾波算法包括限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法以及滑動(dòng)平均濾波等。

> 算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波法的核心思想是連續(xù)采樣N次后，對(duì)這些采樣值進(jìn)行算術(shù)平均。通過(guò)這種方式，能夠減少隨機(jī)干擾。平滑度與靈敏度主要通過(guò)N值的選擇進(jìn)行調(diào)整：N越大，平滑度越高而靈敏度越低;反之，N越小，平滑度越低而靈敏度越高。

程序代碼如下：

```c

char filter()

int sum=0;

for(count=0;count

sum += get_data();

delay();

return (char)(sum / N);

```

> 加權(quán)平均濾波法

為了更好地協(xié)調(diào)平滑度和靈敏度之間的關(guān)系，可采用加權(quán)平均濾波法。其原理是對(duì)連續(xù)N次采樣值賦予不同的加權(quán)系數(shù)，然后進(jìn)行累加。加權(quán)系數(shù)通常先小后大，從而突出后續(xù)采樣的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化趨勢(shì)的感知。加權(quán)平均數(shù)字濾波的數(shù)學(xué)模型為：

D = Σ(XN-i Ci)

其中，D是N個(gè)采樣值的加權(quán)平均值，XN-i代表第N-i次采樣值，N是采樣次數(shù)，而Ci則是相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。

> 滑動(dòng)平均濾波法

滑動(dòng)平均濾波僅需進(jìn)行一次采樣，具有良好的實(shí)時(shí)性。該算法將新采樣值與過(guò)去若干值的平均，以保持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

> 低通濾波簡(jiǎn)介

低通濾波簡(jiǎn)介可以通過(guò)差分方程來(lái)模擬低通濾波器。這種方程強(qiáng)調(diào)的是繼電器的慣性作用，從而抑制高頻干擾。低通濾波算法的表達(dá)式為：Yn = aXn + (1-a)Yn-1，其中Xn代表本次采樣值，Yn-1是上次的濾波輸出值，a是濾波系數(shù)，Yn則是本次濾波的輸出值。該算法在處理變化緩慢的物理量時(shí)表現(xiàn)出色，但對(duì)于高頻干擾則需要其他方法處理。

單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)的六種數(shù)字濾波算法詳解如下：

限幅濾波算法：

原理：通過(guò)連續(xù)采樣并進(jìn)行減法運(yùn)算，比較結(jié)果的絕對(duì)值與預(yù)設(shè)的門限值A(chǔ)，以限制數(shù)據(jù)的變化范圍。

適用場(chǎng)景：適用于緩慢變化的數(shù)據(jù)，如溫度和位置測(cè)量，能有效去除隨機(jī)誤差。

關(guān)鍵點(diǎn)：選擇合適的門限值A(chǔ)，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)確定。

中值濾波算法：

原理：對(duì)連續(xù)采樣值進(jìn)行排序，取中間值作為濾波結(jié)果。

適用場(chǎng)景：適用于去除偶然波動(dòng)和采樣器不穩(wěn)定帶來(lái)的干擾，適用于變化較慢的數(shù)據(jù)。

限制：對(duì)快速變化信號(hào)不適用。

算數(shù)平均濾波算法：

原理：簡(jiǎn)單計(jì)算連續(xù)采樣值的平均值。

適用場(chǎng)景：適用于隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波，平滑程度與采樣次數(shù)N相關(guān)。

特點(diǎn)：N越大，平滑效果越好，但靈敏度降低。

加權(quán)平均濾波算法：

原理：通過(guò)加權(quán)系數(shù)調(diào)整采樣值的權(quán)重，以平衡平滑度和靈敏度。

適用場(chǎng)景：適用于信號(hào)變化趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)，能突出新數(shù)據(jù)的影響。

優(yōu)點(diǎn)：相比算數(shù)平均濾波，能更好地適應(yīng)信號(hào)的變化趨勢(shì)。

滑動(dòng)平均濾波算法：

原理：利用環(huán)形隊(duì)列存儲(chǔ)和更新數(shù)據(jù)，每次采樣僅更新隊(duì)列中的一個(gè)值，并計(jì)算新的平均值。

適用場(chǎng)景：適合實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，能有效減少存儲(chǔ)空間的使用。

特點(diǎn)：需占用一定的存儲(chǔ)空間，但能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)濾波。

低通濾波算法：

原理：模擬硬件濾波器的行為，通過(guò)差分方程實(shí)現(xiàn)。

適用場(chǎng)景：適用于緩慢變化的參數(shù)，能有效去除高頻噪聲。

限制：不能濾除高于采樣頻率一半的干擾信號(hào)，即存在奈奎斯特頻率限制。

以上六種數(shù)字濾波算法在單片機(jī)中各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的濾波算法，以實(shí)現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)處理效果。

濾波算法概述在單片機(jī)的應(yīng)用中，雖然單片機(jī) 擅長(zhǎng)控制和通信，但在數(shù)學(xué)運(yùn)算的處理上仍需借助各種算法的輔助。特別是在需要處理數(shù)學(xué)運(yùn)算的情境下，單片機(jī)的表現(xiàn)往往不盡如人意，因此通過(guò)算法的運(yùn)用來(lái)彌補(bǔ)這一弱點(diǎn)顯得尤為重要。

濾波算法在數(shù)據(jù)處理尤其是 單片機(jī)應(yīng)用中至關(guān)重要，用于減少干擾信號(hào)的影響。這些算法幫助信號(hào)處理從噪聲中提取出所需的信息，從而提高了單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

02限幅濾波算法? 方法和實(shí)現(xiàn)

限幅濾波是一種基本的信號(hào)處理手段。 通過(guò)設(shè)定偏差閾值A(chǔ)，判斷新采樣值的合理性進(jìn)而限制波動(dòng)。這種方法能夠有效保護(hù)傳感器免受瞬間電壓沖擊，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)現(xiàn)時(shí)，基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)定兩次采樣間的最大允許偏差值A(chǔ)，每次獲取新值時(shí)，進(jìn)行判斷：如果當(dāng)前值與前一次的值之差小于或等于A，則當(dāng)前值有效;否則無(wú)效，用前一次的值替代。

? 優(yōu)缺點(diǎn)

該方法能夠有效克服脈沖干擾，但無(wú)法完全抑制周期性干擾，相對(duì)平滑度較差。

03中位值濾波法? 方法概述

中位值濾波法通過(guò) 對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣N次并排序取中位值的方法，抗干擾能力出眾。它能夠有效對(duì)抗隨機(jī)波動(dòng)干擾，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。這種方法對(duì)溫度等變化緩慢的參數(shù)尤其有效。

? 優(yōu)缺點(diǎn)分析

中位值濾波法能夠有效抑制波動(dòng)干擾，但對(duì)速度變化快的參數(shù)不甚適用。

? 代碼實(shí)現(xiàn)

```c

define N 11

char filter() {

char value\_buf[N];

char count, i, j, temp;

for (count = 0; count N; count++) {

// 獲取或生成采樣值

// ...

}

// 對(duì)value\_buf數(shù)組進(jìn)行排序

for (i = 0; i N - 1; i++) {

for (j = i + 1; j N; j++) {

if (value\_buf[i] > value\_buf[j]) {

temp = value\_buf[i];

value\_buf[i] = value\_buf[j];

value\_buf[j] = temp;

}

}

}

// 選取排序后的中間值作為本次的有效值

return value\_buf[N / 2];

}

```

01遞推平均濾波法? 方法與流程

遞推平均濾波法的基本思想是 通過(guò)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行平滑處理。權(quán)衡當(dāng)前采樣與歷史結(jié)果，通過(guò)調(diào)整加權(quán)系數(shù)可以得到平滑的信號(hào)。

? 優(yōu)缺點(diǎn)

遞推平均濾波法對(duì)周期性干擾有良好抑制，但靈敏度較低且對(duì)脈沖干擾抵抗力差。

02中位值平均濾波法? 方法概述

中位值平均濾波法結(jié)合了 中位值和平均值的優(yōu)點(diǎn)，能夠消除脈沖干擾。通常，它通過(guò)采樣的N個(gè)值去掉最大和最小的后計(jì)算平均來(lái)實(shí)現(xiàn)。

? 優(yōu)缺點(diǎn)分析

這種方法能消除隨機(jī)和脈沖干擾，但計(jì)算量大且周期性干擾抑制弱。

03一階滯后濾波的應(yīng)用? 核心思想

一階滯后濾波的核心在于 通過(guò)加權(quán)系數(shù)將當(dāng)前采樣與歷史結(jié)果混合，從而得到平滑的信號(hào)輸出。這種方法在處理波動(dòng)信號(hào)時(shí)尤其有效。

? 優(yōu)缺點(diǎn)

該方法在周期性干擾的過(guò)濾方面表現(xiàn)出色，但靈敏度較低且存在相位滯后問(wèn)題。

04加權(quán)遞推平均濾波法? 方法改進(jìn)

在遞推平均濾波的基礎(chǔ)上， 增強(qiáng)靈敏度的方法通過(guò)賦予不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)不同權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這增加了計(jì)算的復(fù)雜度，濾波長(zhǎng)度需根據(jù)實(shí)際調(diào)整。

? 優(yōu)缺點(diǎn)

加權(quán)遞推平均濾波法具有較強(qiáng)的靈敏度和平滑性，但計(jì)算復(fù)雜度較高。

? 代碼實(shí)現(xiàn)

```c

define a 30

char value;

char filter;

char new_value;

new_value = get_ad();

return (100 - a) value + a new_value;

```

01去抖動(dòng)濾波? 方法概述

去抖動(dòng)濾波通過(guò) 計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)采樣一致性和有效值，進(jìn)而減少信號(hào)抖動(dòng)和提高穩(wěn)定性。這種方法特別適用于變化緩慢的信號(hào)處理。

? 優(yōu)缺點(diǎn)分析

在快速變化信號(hào)的處理中，其濾波效果相對(duì)較差。

02限幅消抖濾波? 方法和優(yōu)缺點(diǎn)

限幅消抖濾波法 綜合限幅與消抖的優(yōu)點(diǎn)，在保持快速響應(yīng)的同時(shí)避免干擾值。通過(guò)融合限幅與消抖，這種方法在抗干擾方面具備較大優(yōu)勢(shì)。