10種常用的軟件濾波方法及示例程序

一、限幅濾波法

A、方法:
根據經驗判斷,確定兩次採樣允許的最大偏差值(設爲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衝干擾
C、缺點:
無法抑制那種週期性的干擾
平滑度差

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

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: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

四、遞推平均濾波法

A、方法:
把連續取N個採樣值看成一個隊列
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,就可獲得新的濾波結果
N值的選取:流量,N=12;壓力:N=4;液麪,N=412;溫度,N=14

B、優點:
對週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
對偶然出現的脈衝性干擾的抑制作用較差
不易消除由於脈衝干擾所引起的採樣值偏差
不適用於脈衝干擾比較嚴重的場合
比較浪費RAM

五、中位值平均濾波法

A、方法:
相當於“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”
連續採樣N個數據,去掉一個最大值和一個最小值
然後計算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
對於偶然出現的脈衝性干擾,可消除由於脈衝干擾所引起的採樣值偏差

C、缺點:
測量速度較慢,和算術平均濾波法一樣
比較浪費RAM

六、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、優點:
融合了兩種濾波法的優點
對於偶然出現的脈衝性干擾,可消除由於脈衝干擾所引起的採樣值偏差

C、缺點:
比較浪費RAM

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、優點:
對週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、優點:
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

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:
如果採樣值=當前有效值,則計數器清零
如果採樣值<>當前有效值,則計數器+1,並判斷計數器是否>=上限N(溢出)
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
如果在計數器溢出的那一次採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

十、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,後消抖

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


示例程序

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

1、限副濾波

/*  A值可根據實際情況調整
    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;

}

2、中位值濾波法

/*  N值可根據實際情況調整
    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>value_buf[i+1] )
         {
           temp = value_buf;
           value_buf = value_buf[i+1];
            value_buf[i+1] = temp;
         }
      }
   }
   return value_buf[(N-1)/2];
}    

3、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);
}

4、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);
}

5、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>value_buf[i+1] )
         {
           temp = value_buf;
           value_buf = value_buf[i+1];
            value_buf[i+1] = temp;
         }
      }
   }
  for(count=1;count<N-1;count++)
      sum += value[count];
   return (char)(sum/(N-2));
}

6、限幅平均濾波法

參考子程序1、3

7、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;
}

8、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);
}

9、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();
      new_value = get_ad();
   }
   return value;    
}

10、限幅消抖濾波法

略參考子程序1、9

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