电子发烧友网 > 控制/MCU > 正文

如何利用单片机和C语言来设计数字滤波系统

2020年01月14日 15:34 次阅读

数据采集,又称数据获取,是利用一种装置,从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头,麦克风,都是数据采集工具。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量,如温度、水位、风速、压力等,可以是模拟量,也可以是数字量。在互联网行业快速发展的今天,数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域,数据采集领域已经发生了重要的变化。

而在数据采集中存在着各种噪声。滤除噪声的方法有很多种,既有数字滤波器,也有模拟滤波器。这里我们采用了基于单片机和C语言来设计并开发数字滤波系统。

我们针对于单片机数据采集系统中经常出现的随机干扰,通过手动输入来模拟数据采集过程,验证了几种使用较为普遍的克服随机干扰的单片机数字滤波算法,并给出了相应的C程序,尤其对中位值滤波和中位值平均滤波算法程序进行了改进。同时也对这几种滤波算法进行了比较,并指出了每一种算法的具体适用范围和注意事项。另外我们使用了 proteus进行仿真验证这几种滤波方法。另外我们还使用了AD和DA来采集及输出数据。

如何利用单片机和C语言来设计数字滤波系统

1 数字滤波设计原理

这里有很多种数字滤波方法,我们见选用其中几种来进行设计,如中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波等等。所以下面我将详细介绍它们。

1.1 中值滤波

中位值滤波是先对某一参数连续采样N次(一般N取奇数),然后把N次采样值按从小到大排列,取中间值为本次采样值。

该滤波方法实际上是一种排序方法,我在此采用的是冒泡法排序。由于在冒泡法排序中,每出现一次前者数据大于后者数据,就要进行二者数据的交换。

该算法的样例子程序如下:

1 #define N 11 //N值可根据实际情况调整

3 char filter()

5 {

7 char value_buf[];

9 char count,i,j,k,temp;

11 for(count=0;count

13 {

14 value_buf[count]=get_data();

17 delay();

18 }

20 for(i=0;i

22 {

k=i;

24 for(j=i+1;j

26 if(value_buf[j]

28 temp=value_buf[k];

30 value_buf[k]=value_buf[i];

32 value_buf[i]=temp;

34 }

36 return value_buf[(N-1)/2];

37 }

位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此算法能收到良好的滤波效果,但对于流量、压力等快速变化的数据,不宜采用中位值滤波。

1.2 算术平均滤波

算术平均滤波法适用于对一般的具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是信号本身在某一数值范围附近上下波动,如测量流量、液位时经常遇到这种情况。算术平均滤波法是要按输入的N 个采样数据,寻找这样一个Y,使得Y 与各个采样值之间的偏差的平方和最小。

具体实现此算法的子程序如下:

1 #define N 12

2 char filter()

5 {

7 int count;

9 int sum=0;

10 for(count=0;count

13 {

15 sum+=get_ad();

16 delay();

17 }

18 return (char)(sum/N);

19 }

算术平均滤波适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值,信号在某一数值范围附近做上下波动,在这种情况下仅取一个采样值做依据显然是不准确的。算术平均滤波对信号的平滑程序完全取决于N,当N较大时,平滑度高,但灵敏度低;当N较小时,平滑度低,但灵敏度高,应视具体情况选取N,以便既少占用计算时间,又达到最好的效果。

1.3 加权平均滤波

在算术平均滤波和移动平均滤波中,N次采样值在输出结果中的权重是均等的,取1/N。用这样的滤波算法,对于时变信号会引入滞后,N值越大,滞后越严重。为了增加新采样数据在移动平均中的权重,以提高系统对当前采样值中所受干扰的灵敏度,可采用加权平均滤波,它是移动平均滤波算法的改进。

加权平均滤波是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系统之后再求累加和,加权系统一般先小后大,以突出后面若干采样的效果,加强系统对参数变化趋势的辨识。各个加权系统均为小于1的小数,且满足总和等于1的约束条件。这样,加权运算之后的累加和即为有效采样值。

为方便计算,可取各加权系数均为整数,且总和为256,加权运算后的累加和除以256,即舍去低字节后便是有效采样值。具体的样例子程序如下:

1 //code数组为加权系统表,存在ROM区。

2 #define N 12

3 char code jq[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};

4 char code sum_jp=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;

5 char filter_5()

6 {

7 char count;

8 char value_buf[N];

9 int sum=0;

10 for(count=0;count

11 {

12 value_buf[count]=get_data();

13 delay();

14 }

15 for(count=0;count

16 sum+=value_buf[count]*jq[count];

17 return (char)(sum/sum_jq);

18 }

1.4 中位值平均滤波

它相当于是“中位值滤波法”和“算术平均滤波法”的结合。它连续采样N个数据,然后去掉一个最大值和一个最小值,最后计算N-2个数据的算术平均值。一般N值的选取:3-14。

具体算法程序如下:

1 #define N 12

2 char filter()

3 {

4 char count,i,j;

5 char value_buf[N];

6 int sum=0;

7 for (count=0;count

8 {

9 value_buf[count] = get_ad();

10 delay();

11 }

12 for (j=0;j

13 {

14 for (i=0;i

15 {

16 if ( value_buf[i]》value_buf[i+1] )

17 {

18 temp = value_buf[i];

19 value_buf[i] = value_buf[i+1];

20 value_buf[i+1] = temp;

21 }

22 }

23 }

24 for(count=1;count

25 sum += value[count];

26 return (char)(sum/(N-2));

27 }

这种滤波方法兼容了移动平均滤波算法和中位值滤波算法的优点,所以无论对缓慢变化的信号,还是对快速变化的信号,都能取得较好的滤波效果。

1.5 限幅滤波

限幅滤波的基本原理是把两次相邻时刻(n和n-1)的采样值Yn和Yn-1相减,求出其差值,以绝对值表示,然后将这个差值与两次采样允许的最大偏差值ΔY比较,如果两次采样值的差值超过了允许的最大偏差值ΔY,则认为发生了随机干扰,并认为最后一次采样值Yn非法,应予剔除。剔除Yn后,可用Yn-1代替Yn;若未超过允许的最大偏差值范围,则认为本次采样值有效。可用如下公式表示:

|Yn-Yn-1|≤ΔY;则Yn有效

|Yn-Yn-1|>ΔY;则Yn-1有效

此算法的样例子程序如下:

此算法的样例子程序如下:

#define A 10 //A值可根据实际情况调整

char data; //上一次的数据

char filter_1()

{

char datanew; //新数据变量

datanew=get_data(); //获得新数据

//滤波算法

if ((datanew-data》A)||(data-datanew》A)

return data;

return datanew;

}

该算法主要用于处理变化比较缓慢的数据,如温度、物体的位置等。使用时关键在于最大偏差值的Δy的选择,通常可根据经验获得,也可按照输出参数可能的最大变化速度Vmax及采样周期T来决定ΔY的值,即ΔY=VmaxT。

1 #include

2 #include

3 #define uchar unsigned char

4 #define A 0.005

5 #define N 11

6 sbit con1 = P2^3;

7 sbit con2 = P2^4;

8 sbit con3 = P2^5;

9 sbit con = P2^6;

10 sbit OE = P2^0;

11 sbit START = P2^1;

12 sbit EOC = P2^2;

13 uchar a;

14 uchar buf[N] ={0};

15 void change()

16 {

17 int i;

18 for(i=0;i

19
责任编辑;zl

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

C语言基础 之 第7章 指针

0 课程大纲介绍和IDE安装1 指针:地址的外号&2 指针与变量3 指针就是一个数4 如何使用一个数据5 一级指针的类型
发烧友学院发表于 2018-12-09 00:00 3105次阅读
C语言基础 之 第7章 指针

求助!单片机测自行车加速度

大四毕设 老师要求做一个单片机自行车测速装置, 要求:能测速度和加速度,要求两种测速方法,一个是通过软件求出,...
发表于 2020-01-14 19:47 113次阅读
求助!单片机测自行车加速度

2019年OrangePi 香橙派开发板人气盘点,谁是你心目中的C位?

年关将至,趁着快回家过年,除了吃喝玩乐“葛优躺”的例行活动,我们还可以来一点不一样的活动——开发板测评!下面就...
发表于 2020-01-14 16:47 181次阅读
2019年OrangePi 香橙派开发板人气盘点,谁是你心目中的C位?

基于fpga的电源设计

我现在没有一个具体的方案 谁能给我个提示一下 比如 fpga从哪入手(fpga一点不会) 具体的电路应该分为哪几个模块 单...
发表于 2020-01-13 23:30 170次阅读
基于fpga的电源设计

基于单片机语音控制开关设计

本人大四 现在想做一个单片机的语音控制开关系统 。因为之前学过一点单片机,不是很深入 想向各位大神寻求一点有关的资...
发表于 2020-01-13 13:00 293次阅读
基于单片机语音控制开关设计

单片机和GPS

使用单片机驱动GPS模块有什么优点,当初怎么想到使用单片机驱动GPS的...
发表于 2020-01-12 18:53 210次阅读
单片机和GPS

STM32新建工程

1.1.1 软件安装1. 安装MDK 注意:安装的路径不能有中文2.把.Download文件夹上的芯片包资料复制到软件安装目录。...
发表于 2020-01-12 14:47 232次阅读
STM32新建工程

正在学习单片机,编写点阵屏的程序时遇到了问题?

我是一个刚刚学单片机的菜鸡。 想用8*8点阵屏写两个字,然后跟着视频自己摸索着写出的代码。整改后,虽然没有错误了但...
发表于 2020-01-11 15:42 274次阅读
正在学习单片机,编写点阵屏的程序时遇到了问题?

单片机工作几小时后又出现重启是怎么回事

单片机产品在工作的时候,上电后是正常工作的,但是工作了几个小时后,偶尔会出现单片机重启的现象。从描述....
发表于 2020-01-11 09:39 311次阅读
单片机工作几小时后又出现重启是怎么回事

浅析常用单片机通信方式、难点以及解决方案

越来越多的功能各异的单片机为我们的设计提供了许多新的方法与思路。对于莫一些场合,比如:复杂的后台运算及通信与高...
发表于 2020-01-10 23:53 657次阅读
浅析常用单片机通信方式、难点以及解决方案

普中c51开发板在点阵上切换数字7和8

普中c51开发板 怎么使用k3按键在点阵上切换数字7和8 (要必须要用中断)...
发表于 2020-01-10 20:44 429次阅读
普中c51开发板在点阵上切换数字7和8

香橙派Orange Pi Zero开发板如何连接无线网络

方法1:]a. 命令行输入 看是否有网卡(wlan*) $ insmod xradio_wlan.ko c. 输入命令 ifconfig,应该可以看到 wlan0(假设是...
发表于 2020-01-10 19:49 1153次阅读
香橙派Orange Pi Zero开发板如何连接无线网络

采用单片机和MCP2510、MCP2551芯片设...

本文提出的基于CAN现场总线的集散型火灾报警控制系统的网络结构如图1所示,每个节点都以AT89C51....
发表于 2020-01-10 16:48 120次阅读
采用单片机和MCP2510、MCP2551芯片设...

基于MSP430F135单片机与DSl8820芯...

煤炭作为一种重要的能源,在工业生产等许多方面发挥着举足轻重的作用,关系着国民经济的命脉。煤炭开采中的....
发表于 2020-01-10 16:31 95次阅读
基于MSP430F135单片机与DSl8820芯...

80C196KB单片机对灭菌器的控制设计方案

而灭菌器灭菌是否合格大部分取决于控制系统是否可靠,针对某医疗设备厂灭菌器控制系统不稳定、人机界面不友....
发表于 2020-01-10 16:12 65次阅读
80C196KB单片机对灭菌器的控制设计方案

动目标识别系统的关键技术及基于Z85C30芯片实...

MIS访问数据链的控制采用时分多址(TDMA)技术。根据不同的应用和操作模式,可采用不同的四种TDM....
发表于 2020-01-10 16:04 88次阅读
动目标识别系统的关键技术及基于Z85C30芯片实...

关于C中嵌套汇编代码难吗?

在C中嵌套汇编代码难吗?
发表于 2020-01-10 14:24 197次阅读
关于C中嵌套汇编代码难吗?

ETC井喷式爆发后,2020年该何去何从?

2019年,在政策的引导、银行、支付机构,以及各厂商等各路人马的推波助澜下,ETC在2019年下半年....
发表于 2020-01-10 09:07 3356次阅读
ETC井喷式爆发后,2020年该何去何从?

如何利用物联网技术来设计昆虫吊飞装置

本系统采用的PL2303是一种高度集成的RS232-USB接口转换器芯片,可提供一个RS232全双工....
发表于 2020-01-07 16:27 100次阅读
如何利用物联网技术来设计昆虫吊飞装置