【转】AD转换中常用的十种数字滤波法

在AD采集中经常要用到数字滤波，而不同情况下又有不同的滤波需求，下面是10种经典的软件滤波方法的程序和优缺点分析：

1. 限幅滤波法（又称程序判断滤波法）
2. 中位值滤波法
3. 算术平均滤波法
4. 递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）
5. 中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）
6. 限幅平均滤波法
7. 一阶滞后滤波法
8. 加权递推平均滤波法
9. 消抖滤波法
10. 限幅消抖滤波法

 

1、限副滤波

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

 

程序：

/* A值可根据实际情况调整value为有效值，new_value为当前采样值滤波程序返回有效的实际值 */ 

  #define A 10
  char value;
  char filter()
  {
      char new_value;
      new_value = get_ad();
      if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A ) )
      {
           return value;
     }
     else
     {
          return new_value;
     }
 }

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

 

程序：

/* N值可根据实际情况调整排序采用冒泡法 */

  #define N 11
  char filter()
  {
      charvalue_buf[N];
      char count,i,j,temp;
      for ( count=;count<N;count++)
      {
          value_buf[count] = get_ad();
          delay();
     }
     for(j=;j<N-;j++)
     {
         for(i=;i<N-j－;i++)
         {
             if ( value_buf>value_buf[i+] )
             {
                 temp =value_buf;
                 value_buf = value_buf[i+];
                 value_buf[i+] = temp;
             }
         }
     }
 returnvalue_buf[(N-)/];
 }

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

程序：

 #define N 12
  char filter()
  {
      int sum = ;
      for ( count=;count<N;count++)
      {
          sum + =get_ad();
          delay();
      }
     return (char)(sum/N);
 }

4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） (FIR前身)

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

 

程序：

  #define N 12
  char value_buf[N];
  char i=;
  char filter()
  {
      char count;
      int sum=;
      value_buf[i++] = get_ad();
      if ( i == N ) i = ;
     for ( count=;count<N,count++)
     {
         sum+ = value_buf[count];
     }

     return (char)(sum/N);
 }

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

程序：

 #define N 12
  char filter()
  {
      char count,i,j;
      char value_buf[N];
      int sum=;
      for (count=;count<N;count++)
      {
          value_buf[count] = get_ad();
         delay();
     }
     for (j=;j<N-;j++)
     {
         for (i=;i<N-j-;i++)
         {
             if ( value_buf>value_buf[i+] )
             {
                 temp = value_buf;
                 value_buf = value_buf[i+];
                 value_buf[i+] = temp;
             }
         }
     }
     for(count=;count<N-;count++)
     {
         sum +=value[count];
     }

     return(char)(sum/(N-));
 }   

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

程序略 参考子程序1、3

 

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

程序：

 /* 为加快程序处理速度假定基数为100，a=0~100 */
 #define a 50
 char value;
 char filter()
 {
     char new_value;
     new_value = get_ad();
     return ((-a)*value + a*new_value);
 }

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

程序：

 /* coe数组为加权系数表，存在程序存储区。*/
  #define N 12
  char code coe[N] ={,,,,,,,,,,,};
  char code sum_coe = +++++++++++;

  char filter()
  {
      char count;
      char value_buf[N];
     int sum=;
     for (count=,count<N;count++)
     {
         value_buf[count] = get_ad();
         delay();
     }
     for (count=,count<N;count++)
     {
         sum += value_buf[count]*coe[count];
     }

     return (char)(sum/sum_coe);
 }

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

程序：

 #define N 12
  char filter()
  {
      char count=;
      char new_value;
      new_value =get_ad();
      while (value!=new_value)
      {
          count++;
         if (count>=N)return new_value;
         delay();
         new_value =get_ad();
     }
 return value;
 }

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

程序略 参考子程序1、9

 

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