（附程序）AD采集中的10种经典软件滤波程序优缺点分析
前言
本次我们学习一下AD采集的一些简单的软件滤波算法并分析优缺点
本篇博客大部分是自己收集和整理，如有侵权请联系我删除。
AD采样点的电压多少有点起伏波动，经运放放大后电压的波动如果超过ADC的分辩率，则显示的值会出现波动。波动如果十分大的话， 建议在硬件上滤波，相反，如果波动较小，你可以用软件滤波方法解决这个问题。
一. 限幅滤波法（又称程序判断滤波法）
1、方法
- 根据经验判断两次采样允许的最大偏差值A
- 每次采新值时判断：若本次值与上次值之差<=A，则本次有效；若本次值与上次值之差>A，本次无效，用上次值代替本次。
2、优缺点
- 克服脉冲干扰，无法抑制周期性干扰，平滑度差。
3.代码
/* A值根据实际调，Value有效值，new_Value当前采样值，程序返回有效的实际值 */
#define A 10
char Value;
char filter()
{char new_Value;new_Value = get_ad(); //获取采样值if( abs(new_Value - Value) > A) return Value; //abs()取绝对值函数return new_Value;
}二、中位值滤波
1、方法
- 连续采样N次，按大小排列，把N次采样值按大小排列
- 取中间值为本次有效值
2、优缺点
- 克服波动干扰，对温度等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，对速度等快速变化的参数不宜。
3、代码
#define N 11
char filter()
{char value_buf[N];char count,i,j,temp;for(count = 0;count < N;count++) //获取采样值{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、算数平均滤波
1、方法
- 连续采样N次，取平均
- N较大时平滑度高，灵敏度低
- N较小时平滑度低，灵敏度高
- 一般N=12，压力：N=4
2、优缺点
- 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 - 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
3、代码
#define N 12
char filter()
{
int sum = 0;
for(count = 0;count<N;count++)
sum += get_ad();
return (char)(sum/N);
}四、递推平均滤波
1、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
2、优缺点
- 对周期性干扰抑制性好，平滑度高
- 适用于高频振动系统
- 灵敏度低，RAM占用较大，脉冲干扰严重
3、代码
/* A值根据实际调，Value有效值，new_Value当前采样值，程序返回有效的实际值 */
#define A 10
char Value;
char filter()
{char new_Value;new_Value = get_ad(); //获取采样值if( abs(new_Value - Value) > A) return Value; //abs()取绝对值函数return new_Value;
}/***************************************************函数名：FILTER_recursive描 述：递推平均滤波：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，把队列中得N个数据进行算术平均运算，就可以获得新的滤波结果。适用范围：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。缺点是灵敏度低，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输入值：无返回值：sum：滤波结果备注：N=2^x次方 为宜
***************************************************/
unsigned short int FILTER_recursive() //递推平均滤波 N为队列长度
{unsigned short int sum=0;unsigned char count=0;static unsigned char i=0,num=0;static unsigned short int value_temp[N];do{if(i<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value_temp[i] = AD_VALUE;i++;i=(i==N)?0:i; //三目运算 i清零}num++;num=num<N?num:N;
}while(num<N);for(count=0;count<N;count++) sum += value_temp[count];sum = sum/N; return sum;
}
五、中位值平均滤波
1、方法
- 采样N个值，去掉最大最小
- 计算N-2的平均值
- N= 3~14
2、优缺点
- 融合了中位值，平均值的优点
- 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
- 计算速度慢，RAM占用大，测量速度较慢，和算术平均滤波法一样
3、代码
char filter()
{char count,i,j;char Value_buf[N];int sum=0;for(count=0;count<N;count++)Value_buf[count]= get_ad();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_buf[count];return (char)(sum/(N-2));
}
/*****************************************************函数名：FILTER_median描 述：中位值滤波：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。适用范围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。不过对流量、速度等快速变化的参数不宜。中位值平均滤波：连续采用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。适用范围：对应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。但是测量速度较慢, 比较浪费RAM。输入值：Flag：选择中位值滤波或中位值平均滤波ON：中位值平均滤波 OFF：中位值滤波返回值：滤波结果备注：中位值滤波：N取奇数，N=2^x次方+1 为宜中位值平均滤波：N=2^x次方+2 为宜
******************************************************/
unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag) //中位值滤波 中位值平均滤波 N为采样次数，取奇数 Flag:中位值平均滤波使能
{unsigned short int value_buf[N],temp=0;
#if(Flag)unsigned short int sum=0;
#endifunsigned char count,i,j;for (count=0;count<N;count++){value_buf[count] = AD_VALUE;Delay(300); //等待AD转换}for(j=0;j<N-1;j++) //排序{for(i=0;i<N-j-1;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;}}}
#if(Flag)for(count=1;count<N-1;count++) //中位求平均 由Flag标志控制sum+=value_buf[count];return (uint16_t)(sum/(N-2));
#endifreturn value_buf[(N-1)/2]; //中位值
}六、限幅平均滤波
1、方法
- 每次采样数据先限幅后送入队列，再送入队列进行递推平均滤波处理
- 相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”
2、优缺点
- 融合限幅、均值、队列的优点
- 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
- 占RAM较多
3、代码
#define A 10
#define N 12
char value,i=0;
char value_buf[N];
char filter()
{char new_value,sum=0;new_value=get_ad();if(Abs(new_value-value)<A)value_buf[i++]=new_value;if(i==N)i=0;for(count =0 ;count<N;count++)sum+=value_buf[count];return (char)(sum/N);
}七、一阶滞后滤波
1、方法
- 取a=0~1
- 本次滤波结果=（1-a）* 本次采样 + a * 上次结果
2、优缺点
- 良好一直周期性干扰，适用波动频率较高场合
- 灵敏度低，相位滞后
- 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
3、代码
/*为加快程序处理速度，取a=0~100*/
#define a 30
char value;
char filter()
{char new_value;new_value=get_ad();return ((100-a)*value + a*new_value);
}/*****************************************************************函数名：FILTER_firstorder描 述：一阶滞后滤波：取a=(0,1）本次滤波结果result=(1-a)*本次采样值+a*上次值对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高得场合。缺点就是相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a的大小，不能消除滤波频率高于采样频率1/21/2的干扰信号输入值：无返回值：value：滤波结果备注：A取值0——100 A值越小，滤波结果越平稳，但是灵敏度越低A值越大，灵敏度越高，但是滤波结果越不稳定
*****************************************************************/
unsigned short int FILTER_firstorder() //一阶滞后滤波，A取值0——100
{ static unsigned short int value=0; unsigned short int new_value;value = (value==0)?AD_VALUE:value; // 三目运算，避免第一次采样value值为0new_value = AD_VALUE; value = (100-A)*value/100 + A*new_value/100;return value;
}八、加权递推平均滤波
1、方法
- 对递推平均滤波的改进，不同时刻的数据加以不同权重，通常越新的数据权重越大，这样灵敏度高，但平滑度低。
2、优缺点
- 适用有较大滞后时间常数和采样周期短的系统
- 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
3、代码
/* coe数组为加权系数表 */
#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();}for(count=0;count<N;count++)sum+=value_buf[count]*coe[count];return (char)(sum/sum_coe);
}九、消抖滤波
1、方法
- 设置一个滤波计数器
- 将采样值与当前有效值比较
- 若采样值=当前有效值，则计数器清0
- 若采样值不等于当前有效值，则计数器+1
- 若计数器溢出，则采样值替换当前有效值，计数器清0
2、优缺点
- 对变化慢的信号滤波效果好，变化快的不好
- 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
- 对于快速变化的参数不宜 ，计数器溢出时若采到干扰值则无法滤波
3、代码
#define N 12
char filter()
{char count=0,new_value;new_value=get_ad();while(value!=new_value){count++;if(count>=N) return new_value;new_value=get_ad();}return value;
}十、限幅消抖滤波
1、方法
- 先限幅 后消抖，相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法”
2、优缺点
- 融合了限幅、消抖的优点
- 避免引入干扰值，对快速变化的信号不宜
- 改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统
3、代码
#define A 10
#define N 12
char value;
char filter()
{char new_value,count=0;new_value=get_ad();while(value!=new_value){if(Abs(value-new_value)<A){count++;if(count>=N) return new_value;new_value=get_ad();}return value;}
}总结：
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