基于嵌入式測控系統的數字濾波方法設計

0 引言

　　模擬信號都必須經過A／D轉換才能被嵌入式控制器接收。但在干擾作用于模擬信號之后，其A／D轉換結果往往會偏離真實值。因此，僅采樣一次是無法確定該結果是否可信的，而必須多次采樣，才能得到一個A／D轉換的數據系列，然后通過某種處理，才能得到一個可信度較高的結果。這種從數據系列中提取逼近真值的軟件算法，通常稱為數字濾波算法。相對于硬件濾波，數字濾波的優越性在于其無需硬件且可靠性高，尤其對頻率很高或很低的信號進行濾波。此外，由于對多輸入通道可共用一個濾波程序，故可大大降低產品成本。

　　1 嵌入式測控系統中常見的數字濾波算法

　　1.1 限幅濾波

　　首先根據被測對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行比較，如果變化幅度不超過△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。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。

　　實現上述過程的參考程序(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據，如溫度、濕度、液位等。該方法使用的關鍵是要選取合適的門限△Y。△Y通常可根據經驗數據獲得，必要時也可由實驗得到。

　　1.2中值濾波

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

　　1.3算術平均濾波

　　該算法對目標參數先進行連續采樣，然后求其算術平均值作為有效采樣值。該算法適用于對具有隨機干擾的信號進行濾波。這種信號的特點是有一個平均值。信號在某一數值附近上下波動。信號的平滑程度完全取決于采樣次數N，采樣次數越多，平滑效果越好，但系統的靈敏度也會下降。為方便求平均值，N一般取4、8、16之類的2的整數次冪，以便系統用移位法來代替除法。其參考程序如下：

　　1.4去極值平均濾波

　　算術平均濾波不能消除明顯的脈沖干擾，而只是將其影響削弱。由于明顯干擾會使采樣值遠離其真實值，因此可以比較容易地將其剔除，而不參加平均值計算，從而使平均濾波的輸出值更接近真實值，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采樣N次，并將其累加求和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，再按N-2個采樣值求平均，即可獲得有效采樣值。為方便求平均值，N-2應為2、4、8、16，故N常取4、6、10、18。其參考程序如下：