基于單片機系統的數字濾波方法研究

馬桂英

摘 要 隨著現代科學技術的發展，數字技術也得到了較好的進步，數字濾波技術在單片機系統中的應用也越來越廣泛。在研究中，筆者將對現階段比較常見的幾種數字濾波方法進行論述，并通過對比分析將這些方法的優缺點和適用的對象進行論述。

關鍵詞 單片機；數字濾波；研究

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）06-0077-01

數字濾波是由軟件算法來實現的，和硬件濾波將比較，優勢在于不需要增加硬件設備，僅僅需要在程序進入控制算法之前加設一個數字濾波程序。在微機化控制系統之中，每一個信號的采集通道都可以共用同一個數字濾波程序，這就比硬件濾波減少了多個濾波器的使用。除此之外，數字濾波的使用更為靈活，而且只要進行適當的濾波程序改變，就能夠實現不同的濾波效果。就目前的而言，有很多基于單片機的數字濾波方法，常見的幾種數字濾波方法有程序判斷法、中位值濾波法、算術平均濾波法等。

1 常用的基于單片機的數字濾波算法

1.1 程序判斷法

在大量的工程實踐結果的表現下，很多的物理量的變化其實都存在著一定的范圍，例如相鄰的兩次采樣值yM和yM-1之間的變化就有著一定的限度。程序判斷濾波就是根據實踐的結論量進行兩次采樣信號之間的最大偏差值的確認，一旦相鄰采樣值超出了偏差值以后，就表明其中存在著干擾問題，需要將這部分數據進行剔除，也就是需要用ym-1來代替ym。當小于偏差值得時候，那么該信號就能夠作為本次的采樣值。

1.2 中位值濾波法

對于中位值濾波法而言，就是將某一個被測參數進行連續的采樣，然后將連續采樣的值根據大小順序進行排列，排列的主要方法是“冒泡排序法”，通過“冒泡排序法”將數據進行排序之后，選擇中間值作為采樣的采樣值。對于中位值濾波法而言，其很大程度上能夠克服由于偶然因素導致的數據波動或者因為采樣器不穩定引發的誤碼現象。中位值濾波法主要應用于溫度、液體等變化比較緩慢的被測參數。

1.3 算數平均濾波法

算數平均濾波法的主要是將同一采樣點進行連續的采樣，并將其算數平均值作為本次采樣的有效值。對于平均值而言，我們可以了解到，信號是在一定數值之間進行上下波動的，當采樣的時候如果僅僅是單一選擇一個值作為采樣值那么這個依據會存在一定的誤差。算術平均值法對信號的平滑濾波程度的選擇，完全取決于采樣的數量，當采樣數量足夠大的時候，平滑度就會較高，那么采樣的個數也會很多，運算的工作就會比較復雜，有效數據的獲取周期就會比較長。

2 數字濾波方法的優缺點和適用對象

對于程序判斷法而言，其優點在于能夠有效地克服隨機的干擾和尖脈沖效果，缺點在于數據處理的速度比較慢，主要適用的對象為溫度、液體等緩慢的變化量。中位值濾波法的優點在于，能夠對偶然因素引起的波動進行良好的規避，還能夠對因采樣器不穩定引起的誤碼干擾進行排除。缺點在于不能用于快速變化的參數測量，其處理的速度也比較慢，適用對象與程序判斷法相同。算數平均濾波法的優點在于能夠對周期干擾濾波進行排除，還可以降低系統的隨機干擾效果。缺點在于，其明顯的脈沖會使得數據的選取高于平均值，對于尖脈沖的抗干擾能力比較差，而且數據處理速度較慢。適用的對象為溫度、流量、壓力、液平面等。

3 數字濾波的選擇

對于數字濾波的選擇而言，因其種類的多樣所以在選擇的時候一定要遵循一定的原則。現階段的主要選擇原則有如下幾條：

1）作為單片機其是在一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM等功能部件。雖然具有較好的邏輯運算能力，但是算術運算能力還是比較有限的，不僅如此，其存儲空間也不是很可觀，因此選擇濾波方法的時候要對單片機的各項機能進行考量，看其是否能夠滿足實際需求。

2）對于不同的干擾源的選擇要考慮濾波方法是否能夠滿足單片機的測控系統需求，在進行計算的時候，即使是同一個測控系統，其都會引入到很多的干擾項，因此，在選擇濾波的時候一定要注意，將主要干擾進行選出，然后根據主要干擾來選擇適用的濾波方法。

3）在進行濾波方法的選擇上要與測試對象進行結合，對于一些變化比較緩慢的測試對象而言，如溫度、流量、壓力等，就需要選擇相應的濾波方法，對于一些要求實時性的測試而言，就需要選擇一些反應速度較快的濾波技術。

4 結論

基于單片機系統的濾波方法的種類豐富多樣，但是在具體運用的過程中，如何進行算則，需要我們在不斷的實踐和摸索中進行研究，對于剛開始使用單片機系統程序算法進行數字濾波的人而言，這個選擇的把握還是比較困難的。不過只要牢牢記住上文中筆者所提到的兩點原則，就能夠準確找到選擇的方向。在熟練掌握之后，就可以在這些方法之上進行適當的調整或修改，從而根據不同的需求來進行方法的擴充和改進，讓數據的測量和獲取能夠與真實值更加接近，從而提高濾波的效果，為數字濾波的計算準確性做出良好的使用方法和選擇方法上的保障。

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