基于微控制器數字濾波實現

譚家杰

（衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽 421002）

0 引 言

數字濾波是語音信號處理、圖象處理、譜分析等領域中的一個基本處理技術。目前，數字濾波器的實現方式較多，主要集中在：通用計算機加軟件實現［1－3］；專用 DSP（digital signal processor）芯片實現［4］；可編程邏輯器件來開發數字濾波器［5－8］；或用微控制器實現［8－12］。以微控制器為主要器件實現數字濾波器相對采用DSP器件或可編程邏輯器件要容易、簡單得多，在微控制器的濾波器實現方面主要有（1）微控制器濾波器算法研究［9］。（2）微控制器配合程控濾波模塊實現［10－13］。論文的濾波器系統以STC12C5A16S2微控制器為核心，該器件自帶10位A／D。系統配合 MAX538D／A轉換芯片，加上LCD1602顯示濾波類型，并輔之以按鍵來切換濾波算法。系統功能是對采樣數據進行濾波處理，系統實現的算法有：限幅濾波、中值濾波、算術平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波五種濾波算法。

1 基本原理

微控制器（micro controller unit，MCU），俗稱單片機，其主要精于實時控制，不長于復雜的算法。微控制器實現數字濾波算法最大問題是微控制器的運行速度慢，尤其是基于51核的微控制器，它一般將外部晶振進行12分頻，器件運行速度大減。若將此類微控制器用于完成FIR、IIR濾波器有一定困難。因此，都采用微控制器配合其它器件來實現濾波器算法，如文獻［10］以可控放大器PGA203為核心實現濾波器；文獻［11］以AT89S52控制程控放大實現濾波；文獻［12－13］以微控制器控制集成開關電容有源濾波器MAX262來實現濾波；上述文獻進一步說明了傳統51微控制器不可能像DSP芯片那樣完成復雜的濾波運算。隨著微控制器技術的快速發展，它在運行速度方面有了很大改進。采用流水線指令結構，廢除機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，平均每一時鐘執行1條單周期指令，這方面主要有C8051F系列微控制器。精簡指令集CPU代替復雜指令集CPU，以字作為指令長度單位，可高速執行指令，這方面有AVR單片機。采用單時鐘概念，將機器周期從12個縮短至4到6個，這種器件如STC微控制器＊。上述微控制器的進展為實現簡單算法濾波器提供了技術保障。

微控制器進行數據采樣時，電路存在相互干擾、電源噪聲、電磁噪聲，模擬輸入信號會疊加干擾信號。所以，微控制器進行數據采集時應該盡量減少噪聲信號對數據的影響，數據采集時的濾波稱為數據采集濾波。目前數據采集濾波方法主要分為時域處理和頻域處理，單片機簡單濾波是在時域上進行處理的。微控制器實現的簡單濾波算法有限幅濾波、中值濾波、算術平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波，其原理如下：

（1）限幅濾波：該方法能有效克服系統偶然因素引起的脈沖干擾。它的基本原理是根據經驗確定兩次采樣允許的最大偏差值，如果本次采樣值與上次值的差小于等于偏差值，則本次采樣值有效。如果本次采樣值與上次值的差大于偏差值，選用上次值代替本次值。

（2）中值濾波：該方法適合參數變化緩慢的系統。其原理是連續N次采樣值按照大小排序，一般N為奇數，取中間值作為本次采樣值。完成此類算法，影響算法速度的是對N個值排序。要使濾波達到預期效果應盡量減少N的大小。

（3）算術平均濾波：選擇長度N至關重要，過長靈敏度較高，反之，靈敏度低。它的原理是以N個采樣值進行算術平均，以算術平均值作為當前采樣值［9］。

（4）加權平均濾波：它的原理是對連續N次采樣值分別乘上不同的加權系數之后再求加權平均，加權系數一般先小后大，即離當前采樣值的時間越近則權越大，并以加權平均值作為當前采樣值。

（5）滑動平均濾波：此方法適合周期性的干擾場合，對周期性干擾有較好的抑制作用。它的原理是連續采集N個采樣值作為隊列，將每次采樣一個新值作為隊尾，將隊首舍去，并將平均值作為當前采樣值［9］。

上述算法除限幅濾波較簡單外，其它四種濾波方式都有共同特點，即算法占用存儲器較多，相對限幅濾波算法復雜，它們占有的存儲資源和時間資源與采樣次數N成正比。如采用中值濾波時，長度過大，在排序時占有的時間資源就多。為克服缺點，一方面以連續N次采樣值作為隊列，當前采樣值作為隊尾并舍去隊首，然后根據不同算法得到當前值。另一方面N值不必過大，中值濾波和加權濾波長度為3，算術平均濾波和滑動平均濾波的長度為4。

2 系統設計

2.1 硬件設計

硬件設計時主要考慮因素有微控制器選擇、濾波算法選擇實現、濾波類型顯示方式及D／A轉換。

（1）微控制器的選擇。簡單濾波器系統以STC12C5A16S2微控制器為核心器件，主要原因在于它是單時鐘／機器周期（1T）器件，指令代碼兼容傳統8051，且速度則快8～12倍。器件自帶10位精度ADC，轉換速率達250KPS＊，器件組成的系統可以直接對模擬信號進行采樣，可以減少硬件的復雜性。這種微控器工作頻率最高可達35MHz，相當于普通微控器的420MHz，設計時系統的外部時鐘可采用32.768MHz晶振。

（2）濾波算法選擇。設計輕觸按鈕接P3.0實現外部中斷，以供微處理器選擇實現濾波算法。其中接P3.0口的按鍵可以實現外部中斷，其優先級別最高，可在中斷服務中設置算法標志參數。它用于選擇濾波算法的類型有著獨特的優勢。

（3）濾波算法顯示。為了讓操作者系統執行的濾波具體算法，可用LCD1602實時顯示濾波器類型。其中，P0口可用于LCD1602寫數據、指令，程序僅對LCD1602進行寫操作，P0口無需上拉電阻。P4.7－P4.5接 LCD1602的控制端口，其中，P4.7用于寫數據或寫指令控制。P4.6用于寫控制，因此寫程序時P4.6口為低電平。P4.5接LCD1602的片選信號端口，其作用是下降沿觸發時用于鎖存數據。

（4）D／A轉換。將濾波后的數字信號進行DAC轉換，并用示波器觀察輸出的波形確定算法的效果。硬件系統的DAC可用美信公司的串行D／A轉換器件MAX538，它與微控制器的接口簡單，且單一5伏供源，內置12位串行緩沖器，輸出為電壓大小。根據它的工作時序，它的時鐘頻率上限為14 MHz，數據更新速率達877kHz［14］。因此，系統采用MAX538能滿足硬件要求。

綜合上述設計要點，設計的硬件系統如圖1所示。

2.2 軟件設計

軟件算法流程有著至關重要的作用，系統代碼采用C語言在Keil uVsion2.0集成環境中進行，為了有序地完成代碼，根據圖1的硬件設計了系統的算法流程如圖2所示。將系統程序分為前臺部分和后臺部分，其中前臺主要指是在主程序（main）中運行。在主程序主要完成A／D轉換初始化、系統初始化、LCD初始化。這三大模塊上電后前臺運行，其作用是完成各種初始化，完畢則等待中斷產生。

圖1 濾波器硬件

圖2 濾波算法流程圖

A／D轉換初始化主要完成以下工作：

（1）寫寄存器 P1M1、P1M0將 P1.7口設置為高阻態，僅為輸入。

（2）P1ASF寄存器將 P1.7口置‘1’，設置為模擬功能，注意P1ASF的地址為0x9d不能用位尋址，因此寫成以P1ASF｜＝0x80。

（3）設置A／D轉換控制寄存器ADC＿CONTR。即，打開A／D轉換電源；選擇A／D轉換速度，轉換時間設置為90個機器周期完成一次；選擇轉換通道。同樣該寄存器不能用位尋址，設置時代碼為ADC＿CONTR＝0xe7。

系統初始化主要功能為：

（1）通過寫寄存器 P4SW、P4M1、P4M0 將P4.7、P4.6、P4.5置為通用IO準雙向口。

（2）設置AUXR寄存器，T0不進行12分頻以加快濾波節拍。

（3）設置定時器T0初始值，并開外部中斷0和定時計數器0中斷，但不啟動定時器T0，待LCD初始化完成后啟動定時計數器T0工作。

（4）初始濾波類型標志變量，并調用LCD1602子程序顯示濾波模式。

LCD初始化主要完成LCD1602的初始化工作，包括顯示模式、光標模式等。三個初始化子程序是有先后順序的，調用順序為先LCD初始化，然后A／D轉換初始化，最后系統初始化。

軟件的系統中斷服務為后臺運行，主程序初始化完成用while（1）等待中斷產生。如果有外部中斷時，運行中斷服務程序，根據濾波類型標志變量值選擇濾波類型。如果沒有外部中斷，系統一直等待定時計數器T0溢出，因此數字濾波器處理一次的時間長度是由TL0、TH0、A／D轉換時間、濾波子程序運行時間和D／A轉換時間決定的，稱這個時間為一拍。在定時計數器T0的中斷服務程序中，先關閉T0中斷，然后用分支轉向根據濾波類型標志變量值調用濾波子程序，再調DA轉換子程序，最后開T0中斷。其中，A／D轉換子程序查詢標志位完成，并放在濾波子程序中調用。軟件設計注意以下事項：

（1）中斷服務程序不能過長，盡量簡單。軟、硬件調試發現，在中斷服務程序中過多調用子程序，尤其是子程序嵌套調用容易出問題。

（2）盡量縮短一拍的時間，如，T0設置為1T，A／D轉換速度設為最快，濾波子程序盡量簡單。

（3）濾波算法問題，所有A／D轉換的數據暫存采用全局變量，因此為了減少存儲空間，用一個數組來存取采樣數據，并用隊列的形式存儲。

（4）A／D采樣用查詢方式，也是這種處理方式的缺點，這樣增加了一拍的時間，采用中斷方式可以節約時間，但是程序運行的可控性不好。

（5）寫代碼時注意寄存器是否能用位尋址，如P1M1、P1M0、P1ASF、P4M1、P4M0、P4SW、ADC＿CONTR、AUXR。此類特殊寄存器必須先定義不用位尋址方式進行賦值。

3 系統實驗

3.1 實驗方案

系統實驗裝置是由信號源、濾波系統和示波器三大部分組成，具體實驗裝置的實物如圖3所示。為完成實驗，設計并制作了信號源，其原理是采用微控制器和DAC器件直接合成信號。信號源是圖3中的左邊箭頭所指電路板實物，右邊箭頭為微控制器濾波系統實物。信號源主要采用STC12C5410AD微控制器和 TLC5615D／A轉換器，其作用是產生所需信號。測試時，將信號接入濾波系統，然后測試濾波效果。

圖3 系統實驗裝置

信號源的波形數據先用matlab7.1軟件計算出，在仿真波形符合要求的情況下，得到測試波形數據，再寫入程序的數據表格。信號經過濾波能達到兩方面的效果，一方面能濾除不需要的頻率成分，另一方面能使信號到達平滑的效果。所以，實驗方案按照以下兩種情形完成。

（1）信號源產生正弦、鋸齒波、方波、三角波。由于信號是查表輸出的，信號的平滑性能不好，可將信號接入濾波系統，用示波器觀察濾波輸出，觀察濾波系統輸出的效果。

（2）信號源輸出具有周期脈沖噪聲的信號，濾波系統對這種信號進行采樣、濾波輸出，比較并觀察其濾波效果。

為了具體說明第二種具有噪聲信號的產生方式及效果，采用matlab7.1軟件產生帶有噪聲的信號，將修改好信號數據的文件下載至微控制器中。信號源上電后，用示波器觀察得如圖4所示的四種波形，即正弦、鋸齒、方波和三角波。這四種信號都含有周期的脈沖噪聲，在圖4中用箭頭所指的信號。這種情形下的實驗，是為了驗證濾波器能否濾除圖中的周期突發脈沖。如果按照情形（1）實驗，信號源的波形不含圖4中的周期脈沖。

圖4 帶有噪聲的信號

3.2 實驗效果

實驗時是將信號源的輸出信號送入系統濾波并對比五種濾波的效果。按照情況（1）進行實驗，以輸出信號的平滑程度為判斷標準。滑動濾波的效果最好，其次為中值濾波和加權濾波，效果較差的為限幅濾波。

由于實驗的圖片很多，僅將滑動濾波得到波形以圖5列出。

圖5 滑動平均濾波輸出波形

為測試情形（2）的濾波效果，同樣完成了四種波形的五種濾波方式，這里以正弦信號為例，五種算法得到的信號如圖6所示。圖中每種算法輸出信號，上圖是指濾波器輸入信號，下圖為濾波器輸出信號。其中，從輸出信號的平滑程度來看，從壞到好的排列順序為：限幅、中值、加權平均、平滑平均、算術平均。

圖6 帶有噪聲濾波輸出圖

4 結 論

在數據采樣中用微控制器實現簡單數字濾波算法具有系統簡單、易于實現，對于直接合成信號的平滑程度而言，采用滑動平均濾波的效果最好。對于周期的突發脈沖噪聲來說，采用算術平均輸出的效果較好。采用限幅噪聲濾波輸出的效果不佳。加權平均濾波要獲得較好的效果，當前采樣值的權重應該最大。采用微控制器，盡管選用速度較快的器件，但是存在濾波信號不能大于500Hz，這也是微控制器固有的弱點，如要完成更高頻率信號的濾波，可以考慮STM32M3系列器件完成。

＊宏晶公司的STC12C5A60S2系列單片機器件手冊

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