10種AD采樣的軟件濾波方法及算法

AD采樣點的電壓多少有點起伏波動，經運放放大后電壓的波動如果超過ADC的分辯率，則顯示的值會出現波動。波動如果十分大的話， 建議在硬件上濾波，相反，如果波動較小，你可以用軟件濾波方法解決這個問題。

1、限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法） 
    A、方法： 
        根據經驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為A） 
        每次檢測到新值時判斷： 
        如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效 
        如果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、優點： 
        能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾 
    C、缺點 
        無法抑制那種周期性的干擾 
        平滑度差    

2、中位值濾波法 
    A、方法： 
        連續采樣N次（N取奇數） 
        把N次采樣值按大小排列 
        取中間值為本次有效值 
    B、優點： 
        能有效克服因偶然因素引起的波動干擾 
        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

3、算術平均濾波法 
    A、方法： 
        連續取N個采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：一般流量，N=12；壓力：N=4 
    B、優點： 
        適用於對一般具有隨機干擾的信號進行濾波 
        這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近上下波動 
    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        

4、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法） 
    A、方法： 
        把連續取N個采樣值看成一個隊列 
        隊列的長度固定為N 
        每次采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,就可獲得新的濾波結果 
        N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液面，N=4~12；溫度，N=1~4 
    B、優點： 
        對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高 
        適用於高頻振盪的系統     
    C、缺點： 
        靈敏度低 
        對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差 
        不易消除由於脈沖干擾所引起的采樣值偏差 
        不適用於脈沖干擾比較嚴重的場合 
        比較浪費RAM        

5、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法） 
    A、方法： 
        相當於“中位值濾波法”+“算術平均濾波法” 
        連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值 
        然后計算N-2個數據的算術平均值 
        N值的選取：3~14 
    B、優點： 
        融合了兩種濾波法的優點 
        對於偶然出現的脈沖性干擾，可消除由於脈沖干擾所引起的采樣值偏差 
    C、缺點： 
        測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣 
        比較浪費RAM

6、限幅平均濾波法 
    A、方法： 
        相當於“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法” 
        每次采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、優點： 
        融合了兩種濾波法的優點 
        對於偶然出現的脈沖性干擾，可消除由於脈沖干擾所引起的采樣值偏差 
    C、缺點： 
        比較浪費RAM

7、一階滯后濾波法 
    A、方法： 
        取a=0~1 
        本次濾波結果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結果 
    B、優點： 
        對周期性干擾具有良好的抑制作用 
        適用於波動頻率較高的場合 
    C、缺點： 
        相位滯后，靈敏度低 
        滯后程度取決於a值大小 
        不能消除濾波頻率高於采樣頻率的1/2的干擾信號

8、加權遞推平均濾波法 
    A、方法： 
        是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數據加以不同的權 
        通常是，越接近現時刻的數據，權取得越大。 
        給予新采樣值的權系數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低 
    B、優點： 
        適用於有較大純滯后時間常數的對象 
        和采樣周期較短的系統 
    C、缺點： 
        對於純滯后時間常數較小，采樣周期較長，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

9、消抖濾波法 
    A、方法： 
        設置一個濾波計數器 
        將每次采樣值與當前有效值比較： 
        如果采樣值＝當前有效值，則計數器清零 
        如果采樣值<>當前有效值，則計數器+1，並判斷計數器是否>=上限N(溢出) 
            如果計數器溢出,則將本次值替換當前有效值,並清計數器 
    B、優點： 
        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復開/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 
        如果在計數器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值,則會將干擾值當作有效值導入系統

10、限幅消抖濾波法 
    A、方法： 
        相當於“限幅濾波法”+“消抖濾波法” 
        先限幅,后消抖 
    B、優點： 
        繼承了“限幅”和“消抖”的優點 
        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 

 

前面閑來無事，整理了下平時用得比較多的部分MCU濾波算法，當然 代碼網上都有，我只是做了一個搬運工，合並了一些算法，整理成模塊函數，需要用的時候直接調用就可以。這里簡單介紹包含的內容，詳細代碼和使用說明在附件里。大家可自行查閱。

AD濾波算法函數模塊說明：

  一、該模塊包含濾波算法有：中位值濾波、中位值平均濾波、遞推平均濾波、一階滯后濾波。用戶可根據項目不同情況選用不同的濾波算法。

1.1、中位值濾波：連續采樣N次(N取奇數)，把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。適用范圍能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。不過對流量、速度等快速變化的參數不宜。

1.2、中位值平均濾波：連續采用N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。適用范圍：對應偶然出現的脈沖性干擾，可消除由於脈沖干擾所引起的采樣值偏差。但是測量速度較慢, 比較浪費RAM。

1.3遞推平均濾波：把連續取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾，並扔掉原來隊首的一次數據，把隊列中得N個數據進行算術平均運算，就可以獲得新的濾波結果。

適用范圍：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用於高頻振盪的系統。缺點是靈敏度低，對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由於脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用於脈沖干擾比較嚴重的場合。

1.4、一階滯后濾波：對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用於波動頻率較高得場合。缺點就是相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決於a的大小，不能消除濾波頻率高於采樣頻率1/21/2的干擾信號。本次濾波結果result=(1-a)*本次采樣值+a*上次值。a=(0~1）

二、濾波函數

2.1、中位值/中位值平均濾波函數

函數名：FILTER_median(TYPE_STATE Flag)

輸入值：Flag：選擇中位值濾波或中位值平均濾波

                ON：中位值平均濾波  OFF：中位值濾波

返回值：濾波結果

2.2、遞推平均濾波函數

函數名：FILTER_recursive()

輸入值：無

返回值：sum：濾波結果

2.3、一階滯后濾波函數

函數名：FILTER_firstorder()

輸入值：無

返回值：value：濾波結果

 

備注：在干電池剩余電量檢測中，經過測試對比數據，使用中位值平均濾波算法比較合適。數據整體表現平穩，靈敏度較高，脈沖干擾直接濾除。測試數據如下：

 

單片機源程序如下:

1. /*********************************************************
2. *文件名:  filter.c
3. *日  期:  2018/7/26
4. *描  述:  AD濾波算法函數集合
5. *備  注:  
6. **********************************************************/
7. #include "filter.h"
8. /*************************************
9.   函數名：Delay
10.   描  述：軟件延時
11.   輸入值：ncount ：延時時長
12.   返回值：無
13. **************************************/
14. void Delay(unsigned short int ncount)
15. {
16.   for(; ncount != 0; ncount--);
17. } 
20. /*
21. uint16_t FILTER_limit()                                        //限幅濾波  A為兩次采樣最大偏差值
22. {
23.   uint16_t new_value=0,value=0;
25.   new_value = AD_VALUE;
27.   if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A ) )
28.                 return value;
29.   else
30.                 return new_value;
32. }
33.         
34. */        
35.         
36. /*****************************************************
37.   函數名：FILTER_median
38.   描  述：中位值濾波：連續采樣N次(N取奇數)，
39.         把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。
40.         適用范圍能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，
41.         對溫度、液位的變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。
42.         不過對流量、速度等快速變化的參數不宜。
43.         
44.   中位值平均濾波：連續采用N個數據，去掉一個最大值
45.         和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。
46.         適用范圍：對應偶然出現的脈沖性干擾，可消除由於脈沖
47.         干擾所引起的采樣值偏差。但是測量速度較慢, 比較浪費RAM。
48.         
49.   輸入值：Flag：選擇中位值濾波或中位值平均濾波
50.           ON：中位值平均濾波  OFF：中位值濾波
51.   返回值：濾波結果
52.         備注：中位值濾波：N取奇數，N=2^x次方+1 為宜
53.                                 中位值平均濾波：N=2^x次方+2 為宜
54. ******************************************************/
55. unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag)        //中位值濾波   中位值平均濾波  N為采樣次數，取奇數  Flag:中位值平均濾波使能
56. {
57.                 unsigned short int value_buf[N],temp=0;                        
58. #if(Flag)
59.                 unsigned short int sum=0;
60. #endif
61.                 unsigned char count,i,j;
62.                 
63.                 for (count=0;count<N;count++)
64.                         {
65.                                 value_buf[count] = AD_VALUE;
66.                                 Delay(300);                                                                                                //等待AD轉換
67.                         }
68.                         
69.                 for(j=0;j<N-1;j++)                                                                          //排序
70.                         {
71.                                 for(i=0;i<N-j-1;i++)        
72.                                         {
73.                                                 if ( value_buf[i] > value_buf[i+1] )
74.                                                         {
75.                                                                 temp =        value_buf[i];
76.                                                                 value_buf[i] = value_buf[i+1];
77.                                                                 value_buf[i+1] = temp;
78.                                                         }
79.                                         }
80.                         }
81. #if(Flag)
82.                 for(count=1;count<N-1;count++)                                //中位求平均 由Flag標志控制
83.                         sum+=value_buf[count];
84.                         return (uint16_t)(sum/(N-2));
85. #endif
86.                 return value_buf[(N-1)/2];                                                //中位值
87. }
91. /***************************************************
92.   函數名：FILTER_recursive
93.   描  述：遞推平均濾波：把連續取N個采樣值看成一個隊列，
94.         隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾，並
95.         扔掉原來隊首的一次數據，把隊列中得N個數據進行算術平
96.         均運算，就可以獲得新的濾波結果。
97.         適用范圍：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，
98.         適用於高頻振盪的系統。缺點是靈敏度低，對偶然出現的
99.         脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由於脈沖干擾所引
100.         起的采樣值偏差，不適用於脈沖干擾比較嚴重的場合
101.   輸入值：無
102.   返回值：sum：濾波結果
103.         備注：N=2^x次方 為宜
104. ***************************************************/
105. unsigned short int FILTER_recursive()                                        //遞推平均濾波  N為隊列長度
106. {
107.         unsigned short int sum=0;
108.         unsigned char count=0;
109.         static unsigned char i=0,num=0;
110.         static unsigned short int value_temp[N];
111.         do{
112.         if(i<N)                                                                                                        //每次采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）
113.         {                                                                                                                                //把隊列中的N個數據進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果
114.                 value_temp[i] = AD_VALUE;
115.                 i++;
116.                 i=(i==N)?0:i;                                                                        //三目運算 i清零
117.         }
118.         num++;
119.         num=num<N?num:N;
120. }while(num<N);
121.         for(count=0;count<N;count++)                
122.                 sum += value_temp[count];
123.       
124.         sum = sum/N;        
125.         return sum;
126. }
130. /*****************************************************************
131.   函數名：FILTER_firstorder
132.   描  述：一階滯后濾波：取a=(0,1）
133.         本次濾波結果result=(1-a)*本次采樣值+a*上次值
134.         對周期性干擾具有良好的抑制作用，
135.         適用於波動頻率較高得場合。缺點就是相位滯后，靈敏度低，
136.         滯后程度取決於a的大小，不能消除濾波頻率高於采樣頻率1/21/2的干擾信號
137.   輸入值：無
138.   返回值：value：濾波結果
139.         備注：A取值0——100 A值越小，濾波結果越平穩，但是靈敏度越低
140.                                                                                  A值越大，靈敏度越高，但是濾波結果越不穩定
141. *****************************************************************/
142. unsigned short int FILTER_firstorder()                                        //一階滯后濾波，A取值0——100  
143. {                                                                                                                                                        
144.         static unsigned short int value=0;                                                
145.         unsigned short int new_value;
146.         value = (value==0)?AD_VALUE:value;        // 三目運算，避免第一次采樣value值為0
147.         new_value = AD_VALUE;                                                                
148.         
149.         value = (100-A)*value/100 + A*new_value/100;
150.         return value;
151. }

復制代碼

1. /*********************************************************
2. *文件名:  filter.h
3. *日  期:  2018/7/26
4. *描  述:  AD濾波算法函數頭文件
5. *備  注:  
6. **********************************************************/
7. #ifndef __FILTER_H__
8. #define __FILTER_H__
10. //typedef unsigned          char uint8_t;
11. //typedef unsigned short     int uint16_t;
12. //typedef unsigned           int uint32_t;
13. //typedef unsigned       __int64 uint64_t;
15. typedef enum {OFF = 0x0, ON = 0x1} TYPE_STATE;
18. extern unsigned short int meanvalue;                                //        ADC值聲明 meanvalue根據情況改變
20. #define  AD_VALUE          meanvalue                //        ADC采集值 meanvalue根據情況改變可直接宏定義AD函數
21. #define A 50                                                                                // 一階滯后濾波系數
22. #define N 9                                                                                // 采樣次數 不同的濾波方法取值不同
23. #define TIME        300                                                        //AD讀取延時，等待AD采集完成 大致夠AD采集時間即可
25. /******** 函******* 數 ******* 聲 ******* 明 ********/
26. unsigned short int FILTER_limit(void);                  //限幅濾波
27. unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag);                  //中位值濾波   中位值平均濾波 Flag:中位值平均濾波使能
28. unsigned short int FILTER_recursive(void);        //遞推平均濾波
29. unsigned short int FILTER_firstorder(void);        //一階滯后濾波
31. #endif