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[導(dǎo)讀]相信很多道友都有對輸入IO 口進(jìn)行濾波的需求，比如按鍵輸入、紅外對管輸入等。本文以按鍵為例，簡單介紹了如何進(jìn)行較為高效的濾波。

來源：公眾號【魚鷹談單片機(jī)】

作者：魚鷹Osprey

ID ??： emOsprey

相信很多道友都有對輸入IO 口進(jìn)行濾波的需求，比如按鍵輸入、紅外對管輸入等。這里魚鷹就以按鍵為例介紹如何進(jìn)行較為高效的濾波。

我們以為接入單片機(jī)引腳的按鍵按下后（并彈起）電平變化應(yīng)該是這樣的：

實(shí)際上卻是這樣的：

首先思考一個問題，如果沒有進(jìn)行濾波，會有什么問題？

一次按下過程可能被認(rèn)為多次按下，因?yàn)榘聪潞笥卸秳舆^程，這個過程電平并不穩(wěn)定，導(dǎo)致單片機(jī)在很短的時間內(nèi)多次檢測到低電平狀態(tài)。這樣一來，本來只按下了一次，程序卻認(rèn)為按下了多次，這對按鍵功能會產(chǎn)生影響。

如果將按鍵引腳設(shè)置為外部中斷觸發(fā)，那么在極短的時間內(nèi)CPU將多次進(jìn)入中斷，影響中斷的性能（所以對于非數(shù)字接口，即沒有穩(wěn)定的高低電平的接口，如果不需要非常高的實(shí)時性，那么魚鷹不建議設(shè)置為外部中斷觸發(fā)方式）。

那么我們該如何進(jìn)行處理呢？

很自然的，因?yàn)榘聪逻^程中有抖動期，我們就會想辦法跳過抖動時間，然后再檢測電平變化，所以，V0.1 版本就應(yīng)運(yùn)而生，這也是郭天祥老師告訴我們初學(xué)者最簡單易懂的方式：

V0.1

    
     typedef enum 
     {
      KEY_LEVEL_DOWN, // 假設(shè)低電平為按下
      KEY_LEVEL_UP, 
     }KeyLevelTypedef;
     

     KeyLevelTypedef get_key_level()
     {
      return (KeyLevelTypedef)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0); 
     }
     

     // V0.1
     void key_scan()
     { // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)
      if(get_key_level() == KEY_LEVEL_DOWN)
      {
      HAL_Delay(20); // 假設(shè)抖動時間 20 ms
      if(get_key_level() == KEY_LEVEL_DOWN)
      {
      key_flag = 1;// 按鍵按下標(biāo)志位
      }
      } 
     }

對于初學(xué)者而言，這段代碼簡單易懂，但是對于工作多年的人來說，這種方式效率極其低下。

有可能你會說，如果使用操作系統(tǒng)，當(dāng)延時函數(shù)使用系統(tǒng)延時，那么這段時間就可以切換到其他任務(wù)進(jìn)行處理，而不會浪費(fèi)CPU使其空轉(zhuǎn)了。但是如果這個任務(wù)本身功能比較復(fù)雜，那么這種處理會嚴(yán)重影響其他功能的執(zhí)行，所以這種代碼應(yīng)該不會出現(xiàn)在工作多年的工程師手中。

那么是否有更高效的方式呢？

有，就是記錄前后兩次電平的變化，通過比較兩次電平是否相等來確定電平是否穩(wěn)定（這個方式在《延時功能進(jìn)化論(合集)》有做簡單介紹）。

V 1 . 0

    
     typedef enum 
     {
      KEY_STATE_IDLE, // 按鍵空閑
      KEY_STATE_DOWN, // 按鍵按下
      KEY_STATE_FINISH, // 按鍵處理完成（由應(yīng)用程序設(shè)置） 
     }KeyStateTypedef;
     

     KeyStateTypedef key_state;
     KeyLevelTypedef key_last_level; // 上次電平狀態(tài)
     

     // V1.0
     // 函數(shù)調(diào)用周期 20 ms（如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)該不需要再說明了吧）
     void key_scan()
     { // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)
      KeyLevelTypedef temp; // 可不可以不使用這個中間變量？
      
      temp = get_key_level();
      if(temp != key_last_level){
      key_last_level = temp;
      return;
      }
      // 當(dāng)運(yùn)行到這里，說明電平已經(jīng)穩(wěn)定下來了
      if(temp == KEY_LEVEL_DOWN){
      if(key_state == KEY_STATE_IDLE){
      // 確保曾經(jīng)釋放過按鍵，這樣可以保證在按下時不會不停設(shè)置該標(biāo)志位 
      key_state = KEY_STATE_DOWN;// 按鍵按下標(biāo)志位
      }
      } 
      else{
      if(key_state == KEY_STATE_FINISH){ // 防止多線程情況下同時修改 
      key_state = KEY_STATE_IDLE; // 釋放按鍵
      }
      }
     }

在這里，使用了兩個全局變量，一個是 key_state，一個是 key_last_level。

前者共三種狀態(tài)，這是為了防止按鍵掃描和按鍵處理程序不是順序執(zhí)行而設(shè)定的。當(dāng)你按下按鍵后，保證按鍵處理程序必然可以得到按下狀態(tài)，同時只有釋放了按鍵之后才可以更改狀態(tài)位，然后才能再次觸發(fā)。

這樣可以保證按鍵掃描和按鍵處理得以順序執(zhí)行（這里面的關(guān)系需要考慮清楚，否則的就會寫出有 BUG 的程序）。

而后者只在本函數(shù)使用，所以不存在使用風(fēng)險（前提是沒有多個任務(wù)同時調(diào)用該函數(shù)，否則照樣有風(fēng)險）。

可以看到該代碼沒有任何延時函數(shù)，簡單、高效，當(dāng)然這里有一個前提，那就是該函數(shù)的調(diào)用周期必須大于抖動時間，但是也別太長，否則實(shí)時性不好。

假設(shè)抖動期時間為 20 ms，實(shí)現(xiàn) 20 ms 的調(diào)用周期有很多種方法：

1、中斷定時器定時調(diào)用

2、軟件定時器調(diào)用（需操作系統(tǒng)）

3、線程內(nèi)周期執(zhí)行該函數(shù)（需操作系統(tǒng)）

4、使用魚鷹介紹的方式（《延時功能進(jìn)化論之V2.5~V2.7（魚鷹強(qiáng)烈建議）》）

我們再次看這個圖：

如果我們使用 V1.0 的方式，我們就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)程序運(yùn)行在抖動期，因?yàn)楹瘮?shù)調(diào)用的時間大于抖動時間，那么程序總是可以得到穩(wěn)定后的狀態(tài)。

比如空閑狀態(tài)下（key_last_level為高電平），突然按下按鍵，假設(shè)在抖動中期程序檢測到高電平，那么20 ms 后檢測的是低電平，顯然這是不相等的（key_last_level更新為低電平），那么程序就會執(zhí)行下一次，下一次即40 ms 后檢測肯定是低電平（如果不是，說明電平不穩(wěn)定），此時電平相等，即可認(rèn)為電平穩(wěn)定了。

而如果在抖動中期程序檢測到低電平，那么20 ms 后檢測的應(yīng)該還是低電平，那么程序認(rèn)為此時電平已經(jīng)穩(wěn)定了，那也沒有問題，因?yàn)樗呀?jīng)跳過了抖動期。

V 2 . 0

如果說，濾波只有按鍵這種抖動的話，那么上述方式應(yīng)該算很不錯了，但有時對IO濾波的需求比較復(fù)雜，那么上述方式只可參考，不可直接拿來對任何 IO 進(jìn)行濾波。

而且很多時候，程序需要定時檢測多個 IO 的電平狀態(tài)，當(dāng)電平發(fā)生變化時，我們能及時通知應(yīng)用層，而且只在電平發(fā)生變化時才進(jìn)行通知。但與此同時我們需要在電平穩(wěn)定之后才通知，而不是變化后馬上進(jìn)行通知，否則可能在電平抖動時多次通知。

所以針對這種需求，我們需要設(shè)計一個更加通用一些的濾波函數(shù)，能應(yīng)對所有數(shù)字 IO 的濾波（包括按鍵）。

其實(shí)按鍵濾波已經(jīng)包含了濾波思想，只是不夠通用，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

typedef enum { LEVEL_LOW, // LEVEL_HIGH, }LevelTypedef;
typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間 ????LevelTypedef?last_level;?//?上次電平狀態(tài)}FilterParaTypedef;
// V2.0// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時間戳，單位 1 ms, stable_time希望電平穩(wěn)定的時間uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)  if(level != para->last_level){ para->last_level = level; // 更新當(dāng)前電平狀態(tài) para->last_time = time; // 更新電平變化的時刻 return 0; // 電平未穩(wěn)定 }  if(time - para->last_time > stable_time){ // 這兩個條件可以放在一起進(jìn)行 && 判斷嗎？ return 1; // 需要上報 ???} return 0; // 電平穩(wěn)定時間不夠長}

這個代碼的思想就是，當(dāng)電平不穩(wěn)定時，更新當(dāng)前時間戳，一旦電平不再變化，并且持續(xù)的時間夠長（這個時間由用戶決定），那么返回 1 表示電平已經(jīng)穩(wěn)定了（這個函數(shù)沒有調(diào)用周期限制，調(diào)用周期不同，會產(chǎn)生一些影響，這個和濾波時間精度有關(guān)）。

這個代碼看起來挺簡單的，也好像沒啥問題，但實(shí)際上是存在問題的。

看到那個穩(wěn)定時間判斷條件了嗎？如果下次繼續(xù)執(zhí)行這個函數(shù)，那么程序依然返回 1，所以它總是會在穩(wěn)定后不停的返回 1（判斷條件總是成立），這樣一來，這個函數(shù)并不能實(shí)現(xiàn)電平變化后才進(jìn)行通知，也就是說調(diào)用者無法通過返回值直接決定下一步動作。

可能你會說，如果在返回 1 之前先更新一下時間戳呢？看過魚鷹之前筆記的應(yīng)該知道，這種方式會周期性返回 1，即如果希望電平穩(wěn)定時間為 10 ms，那么在電平穩(wěn)定后，每隔 10 ms 返回 1，這是我們不希望看到的。

那么有沒有什么解決辦法呢？當(dāng)然。

因?yàn)槲覀冎幌Ｍ谧兓笤俜€(wěn)定時才返回1，即我們既希望短暫電平變化并不返回1，而那些長時間穩(wěn)定的電平能在穩(wěn)定時間閾值之后返回1，又希望在穩(wěn)定之后只返回一次 1，之后電平變化后如果再次穩(wěn)定才返回1。

有點(diǎn)繞口，看圖好了：

因?yàn)槟壳芭袛鄺l件總是返回1，所以我們需要增加限制條件，讓它不總是返回1。

簡單的辦法是，增加一個變量，用于記錄上次的穩(wěn)定后的電平，比如這樣：

typedef enum { LEVEL_LOW, // LEVEL_HIGH, }LevelTypedef;
typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間  LevelTypedef last_level; // 上次電平狀態(tài) LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩(wěn)定的電平狀態(tài) }FilterParaTypedef;
// V2.0// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時間戳，單位 1 ms, stable_time希望電平穩(wěn)定的時間uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)  if(level != para->last_level){ para->last_level = level; // 更新當(dāng)前電平狀態(tài) para->last_time = time; // 更新電平變化的時刻 return 0; // 電平未穩(wěn)定 }  if(time - para->last_time > stable_time){ // 這兩個條件可以放在一起進(jìn)行 && 判斷嗎？ if(level != para->last_stable_level) { // 電平穩(wěn)定時間夠長且電平發(fā)生了變化 para->last_stable_level = level; return 1; // 需要上報  }  }  return 0; // 電平穩(wěn)定時間不夠長}

這樣一來，下一次繼續(xù)執(zhí)行時，就不會再次返回1了。

但是以上代碼其實(shí)是有一個隱含問題的，那就是如果兩次長時間電平之間有一個短時間的不同電平存在，那么也只會上報一次，即返回一次1，即如下情況：

如果說這是你想要的效果，那么恭喜你，你不用更改代碼；但如果這不是你想要的結(jié)果，那這個代碼就存在BUG，畢竟變化的時間雖然短，但還是變化了的嘛（這個問題稍后討論）。

還有一個問題，看過魚鷹以前筆記的人都知道，這種計時方式是存在問題的，因?yàn)槿绻愕碾娖椒€(wěn)定時間很長，長到四字節(jié)計時器溢出了，那么就可能出問題。

不過在這里，即使出現(xiàn)溢出，也沒關(guān)系，結(jié)果是一樣的，因?yàn)槿绻娖椒€(wěn)定時間很長了，那么肯定已經(jīng)上報過一次了，后面肯定也不需要再次上報了。

V 2 . 5

V2.0方式確實(shí)很高效，但是為了只在變化時上報一次，就要增加一個變量還是很不爽的，如果說魚鷹沒有找到好的方式，那么魚鷹會采用的，但湊巧的是，魚鷹想到了更好的方式，不需要增加這個變量也能達(dá)到效果。

一個用于計時，一個用于記錄上次電平，這兩個變量肯定是不可或缺的。但是如果你仔細(xì)思考一下，就會發(fā)現(xiàn)，所謂的記錄上次電平，其實(shí)是在變化時就被快速更改了的，它記錄的是實(shí)時電平變化，而計時是在變化后更新時間戳，穩(wěn)定時判斷穩(wěn)定時間，如果我們把計時順序換一下，會如何呢？

即，穩(wěn)定時更新時間戳，變化時判斷穩(wěn)定時間，而記錄電平的變量只記錄已穩(wěn)定的電平，會怎么樣？

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間  LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩(wěn)定的電平狀態(tài) }FilterParaTypedef;
// V2.5// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時間戳，單位 1 ms, stable_time希望電平穩(wěn)定的時間uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)  if(level != para->last_stable_level){ if(time - para->last_time > stable_time) { para->last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時間足夠長，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 return 1; // 上報 }  return 0; // 不上報,同時不更新時間戳（穩(wěn)定時間不夠） }
 para->last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時間，保存電平穩(wěn)定時的時間戳  return 0; // 不上報}

上面的代碼比V2.0簡單了許多，但也稍微難理解，但如果你仿真測試一番，其實(shí)也容易理解。

測試代碼（rt_tick_get() 函數(shù)用于獲取當(dāng)前時間，單位 ms）：

FilterParaTypedef FilterPara;
void task(void *parameter){ while(1) { LevelTypedef temp = (LevelTypedef)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0); if(filter(&FilterPara, temp, rt_tick_get(), 100)) { rt_kprintf("stable level is %u\n",temp); }  rt_thread_delay(5);  }  }

當(dāng)你修改PB0電平時，可得到如下測試結(jié)果：

在這個例子中，要求電平穩(wěn)定時間20 ms，而線程的執(zhí)行周期為 5 ms，即電平采樣率為5 ms，當(dāng)你的手速點(diǎn)擊足夠快時（如果不夠快，可以加長 20 ms），那么應(yīng)該不會有任何打印信息輸出。

需要注意的是，采樣率比較關(guān)鍵，如果電平變化快，而采樣率設(shè)置的不合適，那么不能完全反應(yīng)外界引腳電平的變化，這個和“香農(nóng)定理”有關(guān)，超出魚鷹的范圍，就不多說了。

V 3 . 0

有的時候需求可能要求只需要穩(wěn)定一個高電平或者低電平才上報，其他時候不上報，那么該如何修改V2.5的代碼呢？

上報時加入限制條件即可，如下所示：

// V3.0// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時間戳，單位 1 ms, stable_time希望電平穩(wěn)定的時間uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)  if(level != para->last_stable_level){ if(time - para->last_time > stable_time) { para->last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時間足夠長，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 if(level == LEVEL_HIGH) // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平  { return 1; // 上報 }  }  return 0; // 不上報,同時不更新時間戳（穩(wěn)定時間不夠） }
 para->last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時間，保存電平穩(wěn)定時的時間戳  return 0; // 不上報}

這樣一來，只會在高電平穩(wěn)定時才會進(jìn)行上報，而低電平卻不會上報。但是這種方式同樣有一個隱藏限制，那就是低電平必須能穩(wěn)定一段時間，否則下次高電平無法上報，照樣有 V2.0 的限制，如何打破這種限制呢？

V 3 . 1

如果我們的需求是，變化后高電平穩(wěn)定時上報一次，如果之后存在低電平，然后又變?yōu)楦唠娖?，并且穩(wěn)定了，那么希望也能上報，那該如何處理呢？

代碼如下：

// V3.1// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時間戳，單位 1 ms, stable_time希望電平穩(wěn)定的時間uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)  if(level != para->last_stable_level){ if(level != LEVEL_HIGH) // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { para->last_stable_level = level; // 快速切換狀態(tài) // para->last_time = time; // 是否有必要同時更新時間戳呢？ } else if(time - para->last_time > stable_time) { para->last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時間足夠長，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 if(level == LEVEL_HIGH) // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平  { return 1; // 上報 }  }  return 0; // 不上報,同時不更新時間戳（穩(wěn)定時間不夠） }
 para->last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時間，保存電平穩(wěn)定時的時間戳  return 0; // 不上報}

V 3 . 2

為了讓這個濾波代碼（事實(shí)上已經(jīng)不僅僅承擔(dān)濾波功能，同時承擔(dān)了變化并穩(wěn)定后上報功能）更加通用，可以這樣設(shè)計：

typedef enum { LEVEL_LOW, // LEVEL_HIGH, }LevelTypedef;
typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間  LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩(wěn)定的電平狀態(tài) LevelTypedef filter_level; // 希望濾波的電平}FilterParaTypedef;
// V3.2// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時間戳，單位 1 ms, stable_time希望電平穩(wěn)定的時間uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī)  if(level != para->last_stable_level){ if(level != para->filter_level) // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { para->last_stable_level = level; // 快速切換狀態(tài) // para->last_time = time; // 是否有必要同時更新時間戳呢？ } else if(time - para->last_time > stable_time) { para->last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時間足夠長，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 if(level == para->filter_level) // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平  { return 1; // 上報 }  }  return 0; // 不上報,同時不更新時間戳（穩(wěn)定時間不夠） }
 para->last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時間，保存電平穩(wěn)定時的時間戳  return 0; // 不上報}