十種數據採集濾波的方法和編程實例

如下介紹十種數據採集濾波的方法和編程實例。

這10種方法針對不一樣的噪聲和採樣信號具備不一樣的性能，

爲不一樣場合的應用提供了較廣的選擇空間。

選擇這些方法時，必須瞭解電路種存在
的主要噪聲類型，主要包括一下方面：

* 噪聲是突發隨機噪聲仍是週期性噪聲

* 噪聲頻率的高低

* 採樣信號的類型是塊變信號仍是慢變信號

* 另外還要考慮系統可供使用的資源等

經過對噪聲和採樣性能分析，

選用最合適的方法以及肯定合理的參數，才能達到良好的效果。

    目前用於數據採集濾波的主要方法有如下10種，

這10種方法都是在時域上進行處理的，

相對於從頻域角度設計的IIR或者FIR濾波器，

其實現簡單，運算量小，而性能能夠知足
絕大部分的場合的應用要求

一、限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法）

    A、方法：

        根據經驗判斷，肯定兩次採樣容許的最大誤差值（設爲A）

        每次檢測到新值時判斷：

        若是本次值與上次值之差<=A,則本次值有效

        若是本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值

    B、優勢：

        能有效克服因偶然因素引發的脈衝干擾

    C、缺點

        沒法抑制那種週期性的干擾

        平滑度差

 一、限副濾波

/*  A值可根據實際狀況調整

    value爲有效值，new_value爲當前採樣值

    濾波程序返回有效的實際值  */

#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;

   return new_value;

       

}

　//=================================================================================================

二、中位值濾波法

    A、方法：

        連續採樣N次（N取奇數）

        把N次採樣值按大小排列

        取中間值爲本次有效值

    B、優勢：

        能有效克服因偶然因素引發的波動干擾

        對溫度、液位的變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果

    C、缺點：

        對流量、速度等快速變化的參數不宜

二、中位值濾波法

/*  N值可根據實際狀況調整

    排序採用冒泡法*/

#define N  11

char filter()

{

   char value_buf[N];

   char count,i,j,temp;

   for ( count=0;count<N;count++)

   {

      value_buf[count] = get_ad();

      delay();

   }

   for (j=0;j<N-1;j++)

   {

      for (i=0;i<N-j;i++)

      {

         if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )

         {

            temp = value_buf[i];

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

             value_buf[i+1] = temp;

         }

      }

   }

   return value_buf[(N-1)/2];

}   

//=================================================================================================

三、算術平均濾波法

    A、方法：

        連續取N個採樣值進行算術平均運算

        N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低

        N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高

        N值的選取：通常流量，N=12；壓力：N=4

    B、優勢：

        適用於對通常具備隨機干擾的信號進行濾波

        這樣信號的特色是有一個平均值，信號在某一數值範圍附近上下波動

    C、缺點：

        對於測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用

        比較浪費RAM

三、算術平均濾波法

/*

*/

#define N 12

char filter()

{

   int  sum = 0;

   for ( count=0;count<N;count++)

   {

      sum + = get_ad();

      delay();

   }

   return (char)(sum/N);

}
       
//=================================================================================================

四、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）

    A、方法：

        把連續取N個採樣值當作一個隊列

        隊列的長度固定爲N

        每次採樣到一個新數據放入隊尾,並扔掉原來隊首的一次數據.(先進先出原則)

        把隊列中的N個數據進行算術平均運算,就可得到新的濾波結果

        N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液麪，N=4~12；溫度，N=1~4

    B、優勢：

        對週期性干擾有良好的抑制做用，平滑度高

        適用於高頻振盪的系統  

    C、缺點：

        靈敏度低

        對偶然出現的脈衝性干擾的抑制做用較差

        不易消除因爲脈衝干擾所引發的採樣值誤差

        不適用於脈衝干擾比較嚴重的場合

        比較浪費RAM
四、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）

/*

*/

#define N 12

char value_buf[N];

char i=0;

char filter()

{

   char count;

   int  sum=0;

   value_buf[i++] = get_ad();

   if ( i == N )   i = 0;

   for ( count=0;count<N,count++)

      sum = value_buf[count];

   return (char)(sum/N);

}
 
//=================================================================================================     

五、中位值平均濾波法（又稱防脈衝干擾平均濾波法）

    A、方法：

        至關於「中位值濾波法」+「算術平均濾波法」

        連續採樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值

        而後計算N-2個數據的算術平均值

        N值的選取：3~14

    B、優勢：

        融合了兩種濾波法的優勢

        對於偶然出現的脈衝性干擾，可消除因爲脈衝干擾所引發的採樣值誤差

    C、缺點：

        測量速度較慢，和算術平均濾波法同樣

        比較浪費RAM

五、中位值平均濾波法（又稱防脈衝干擾平均濾波法）

/*

*/

#define N 12

char filter()

{

   char count,i,j;

   char value_buf[N];

   int  sum=0;

   for  (count=0;count<N;count++)

   {

      value_buf[count] = get_ad();

      delay();

   }

   for (j=0;j<N-1;j++)

   {

      for (i=0;i<N-j;i++)

      {

         if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )

         {

            temp = value_buf[i];

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

             value_buf[i+1] = temp;

         }

      }

   }

   for(count=1;count<N-1;count++)

      sum += value[count];

   return (char)(sum/(N-2));

}

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六、限幅平均濾波法

    A、方法：

        至關於「限幅濾波法」+「遞推平均濾波法」

        每次採樣到的新數據先進行限幅處理，

        再送入隊列進行遞推平均濾波處理

    B、優勢：

        融合了兩種濾波法的優勢

        對於偶然出現的脈衝性干擾，可消除因爲脈衝干擾所引發的採樣值誤差

    C、缺點：

        比較浪費RAM

六、限幅平均濾波法

/*

*/

略 參考子程序一、3

七、一階滯後濾波法

/* 爲加快程序處理速度假定基數爲100，a=0~100 */

#define a 50

char value;

char filter()

{

   char  new_value;

   new_value = get_ad();

   return (100-a)*value + a*new_value;

}

//=================================================================================================

七、一階滯後濾波法

    A、方法：

        取a=0~1

        本次濾波結果=（1-a）*本次採樣值+a*上次濾波結果

    B、優勢：

        對週期性干擾具備良好的抑制做用

        適用於波動頻率較高的場合

    C、缺點：

        相位滯後，靈敏度低

        滯後程度取決於a值大小

        不能消除濾波頻率高於採樣頻率的1/2的干擾信號

//=================================================================================================      

八、加權遞推平均濾波法

    A、方法：

        是對遞推平均濾波法的改進，即不一樣時刻的數據加以不一樣的權

        一般是，越接近現時刻的數據，權取得越大。

        給予新採樣值的權係數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低

    B、優勢：

        適用於有較大純滯後時間常數的對象

        和採樣週期較短的系統

    C、缺點：

        對於純滯後時間常數較小，採樣週期較長，變化緩慢的信號

        不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差

八、加權遞推平均濾波法

/* coe數組爲加權係數表，存在程序存儲區。*/

#define N 12

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

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

char filter()

{

   char count;

   char value_buf[N];

   int  sum=0;

   for (count=0,count<N;count++)

   {

      value_buf[count] = get_ad();

      delay();

   }

   for (count=0,count<N;count++)

      sum += value_buf[count]*coe[count];

   return (char)(sum/sum_coe);

}

//=================================================================================================

九、消抖濾波法

    A、方法：

        設置一個濾波計數器

        將每次採樣值與當前有效值比較：

        若是採樣值＝當前有效值，則計數器清零

        若是採樣值<>當前有效值，則計數器+1，並判斷計數器是否>=上限N(溢出)

            若是計數器溢出,則將本次值替換當前有效值,並清計數器

    B、優勢：

        對於變化緩慢的被測參數有較好的濾波效果,

        可避免在臨界值附近控制器的反覆開/關跳動或顯示器上數值抖動

    C、缺點：

        對於快速變化的參數不宜

        若是在計數器溢出的那一次採樣到的值剛好是干擾值,則會將干擾值看成有效值導入系

統

九、消抖濾波法

#define N 12

char filter()

{

   char count=0;

   char new_value;

   new_value = get_ad();

   while (value !=new_value);

   {

      count++;

      if (count>=N)   return new_value;

       delay();

      value = get_ad();

   }

   return value;   
}

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十、限幅消抖濾波法

    A、方法：

        至關於「限幅濾波法」+「消抖濾波法」

        先限幅,後消抖

    B、優勢：

        繼承了「限幅」和「消抖」的優勢

        改進了「消抖濾波法」中的某些缺陷,避免將干擾值導入系統

    C、缺點：

        對於快速變化的參數不宜

}

 

假定從8位AD中讀取數據（若是是更高位的AD可定義數據類型爲int),子程序爲get_ad();