基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法研究

馬桂英

摘 要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)也得到了較好的進(jìn)步，數(shù)字濾波技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。在研究中，筆者將對(duì)現(xiàn)階段比較常見的幾種數(shù)字濾波方法進(jìn)行論述，并通過對(duì)比分析將這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的對(duì)象進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；數(shù)字濾波；研究

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）06-0077-01

數(shù)字濾波是由軟件算法來實(shí)現(xiàn)的，和硬件濾波將比較，優(yōu)勢(shì)在于不需要增加硬件設(shè)備，僅僅需要在程序進(jìn)入控制算法之前加設(shè)一個(gè)數(shù)字濾波程序。在微機(jī)化控制系統(tǒng)之中，每一個(gè)信號(hào)的采集通道都可以共用同一個(gè)數(shù)字濾波程序，這就比硬件濾波減少了多個(gè)濾波器的使用。除此之外，數(shù)字濾波的使用更為靈活，而且只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波程序改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的濾波效果。就目前的而言，有很多基于單片機(jī)的數(shù)字濾波方法，常見的幾種數(shù)字濾波方法有程序判斷法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法等。

1 常用的基于單片機(jī)的數(shù)字濾波算法

1.1 程序判斷法

在大量的工程實(shí)踐結(jié)果的表現(xiàn)下，很多的物理量的變化其實(shí)都存在著一定的范圍，例如相鄰的兩次采樣值yM和yM-1之間的變化就有著一定的限度。程序判斷濾波就是根據(jù)實(shí)踐的結(jié)論量進(jìn)行兩次采樣信號(hào)之間的最大偏差值的確認(rèn)，一旦相鄰采樣值超出了偏差值以后，就表明其中存在著干擾問題，需要將這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行剔除，也就是需要用ym-1來代替ym。當(dāng)小于偏差值得時(shí)候，那么該信號(hào)就能夠作為本次的采樣值。

1.2 中位值濾波法

對(duì)于中位值濾波法而言，就是將某一個(gè)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的采樣，然后將連續(xù)采樣的值根據(jù)大小順序進(jìn)行排列，排列的主要方法是“冒泡排序法”，通過“冒泡排序法”將數(shù)據(jù)進(jìn)行排序之后，選擇中間值作為采樣的采樣值。對(duì)于中位值濾波法而言，其很大程度上能夠克服由于偶然因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動(dòng)或者因?yàn)椴蓸悠鞑环€(wěn)定引發(fā)的誤碼現(xiàn)象。中位值濾波法主要應(yīng)用于溫度、液體等變化比較緩慢的被測(cè)參數(shù)。

1.3 算數(shù)平均濾波法

算數(shù)平均濾波法的主要是將同一采樣點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的采樣，并將其算數(shù)平均值作為本次采樣的有效值。對(duì)于平均值而言，我們可以了解到，信號(hào)是在一定數(shù)值之間進(jìn)行上下波動(dòng)的，當(dāng)采樣的時(shí)候如果僅僅是單一選擇一個(gè)值作為采樣值那么這個(gè)依據(jù)會(huì)存在一定的誤差。算術(shù)平均值法對(duì)信號(hào)的平滑濾波程度的選擇，完全取決于采樣的數(shù)量，當(dāng)采樣數(shù)量足夠大的時(shí)候，平滑度就會(huì)較高，那么采樣的個(gè)數(shù)也會(huì)很多，運(yùn)算的工作就會(huì)比較復(fù)雜，有效數(shù)據(jù)的獲取周期就會(huì)比較長。

2 數(shù)字濾波方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用對(duì)象

對(duì)于程序判斷法而言，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地克服隨機(jī)的干擾和尖脈沖效果，缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理的速度比較慢，主要適用的對(duì)象為溫度、液體等緩慢的變化量。中位值濾波法的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)ε既灰蛩匾鸬牟▌?dòng)進(jìn)行良好的規(guī)避，還能夠?qū)σ虿蓸悠鞑环€(wěn)定引起的誤碼干擾進(jìn)行排除。缺點(diǎn)在于不能用于快速變化的參數(shù)測(cè)量，其處理的速度也比較慢，適用對(duì)象與程序判斷法相同。算數(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)χ芷诟蓴_濾波進(jìn)行排除，還可以降低系統(tǒng)的隨機(jī)干擾效果。缺點(diǎn)在于，其明顯的脈沖會(huì)使得數(shù)據(jù)的選取高于平均值，對(duì)于尖脈沖的抗干擾能力比較差，而且數(shù)據(jù)處理速度較慢。適用的對(duì)象為溫度、流量、壓力、液平面等。

3 數(shù)字濾波的選擇

對(duì)于數(shù)字濾波的選擇而言，因其種類的多樣所以在選擇的時(shí)候一定要遵循一定的原則?，F(xiàn)階段的主要選擇原則有如下幾條：

1）作為單片機(jī)其是在一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM等功能部件。雖然具有較好的邏輯運(yùn)算能力，但是算術(shù)運(yùn)算能力還是比較有限的，不僅如此，其存儲(chǔ)空間也不是很可觀，因此選擇濾波方法的時(shí)候要對(duì)單片機(jī)的各項(xiàng)機(jī)能進(jìn)行考量，看其是否能夠滿足實(shí)際需求。

2）對(duì)于不同的干擾源的選擇要考慮濾波方法是否能夠滿足單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)需求，在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，即使是同一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，其都會(huì)引入到很多的干擾項(xiàng)，因此，在選擇濾波的時(shí)候一定要注意，將主要干擾進(jìn)行選出，然后根據(jù)主要干擾來選擇適用的濾波方法。

3）在進(jìn)行濾波方法的選擇上要與測(cè)試對(duì)象進(jìn)行結(jié)合，對(duì)于一些變化比較緩慢的測(cè)試對(duì)象而言，如溫度、流量、壓力等，就需要選擇相應(yīng)的濾波方法，對(duì)于一些要求實(shí)時(shí)性的測(cè)試而言，就需要選擇一些反應(yīng)速度較快的濾波技術(shù)。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)系統(tǒng)的濾波方法的種類豐富多樣，但是在具體運(yùn)用的過程中，如何進(jìn)行算則，需要我們?cè)诓粩嗟膶?shí)踐和摸索中進(jìn)行研究，對(duì)于剛開始使用單片機(jī)系統(tǒng)程序算法進(jìn)行數(shù)字濾波的人而言，這個(gè)選擇的把握還是比較困難的。不過只要牢牢記住上文中筆者所提到的兩點(diǎn)原則，就能夠準(zhǔn)確找到選擇的方向。在熟練掌握之后，就可以在這些方法之上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或修改，從而根據(jù)不同的需求來進(jìn)行方法的擴(kuò)充和改進(jìn)，讓數(shù)據(jù)的測(cè)量和獲取能夠與真實(shí)值更加接近，從而提高濾波的效果，為數(shù)字濾波的計(jì)算準(zhǔn)確性做出良好的使用方法和選擇方法上的保障。

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