STM32实战七 数字滤波

数字滤波是数据处理是常用、灵活、有效的方法。前面的按键程序已经用到了滤波，属于开关量滤波，这里要讨论的是模拟量滤波程序，包括最常用的两种方法，中值滤波和平均值滤波。

中值滤波的原理是，每次取最近几个数的中间值作为输出数据，每个波形的最高和最低几个数被滤掉，优点是基本保留原有数据，能有效抑制大幅值低频尖峰干扰，俗称椒盐噪声。

平均值滤波，就是对最近一些数求平均，是最常用最简单的方法，对高频低幅值随机噪声有效，缺点是会损失原始数据中的高频分量，对高幅值干扰会扩大影响。下面的程序中应用了移位平均算法，效率高，且不受求平均的数据数目大小的影响。两种滤波方式都有一定延时。

AverageFilter.h

#ifndef __AVERAGEFILTER__
#define __AVERAGEFILTER__

extern "C" {				// 兼容C，按C语言编译，Keil5中的包含文件已经加入了C++兼容，不用再加这一段
#pragma diag_remark 368		//消除 warning:  #368-D: class "<unnamed>" defines no constructor to initialize the following:

#include "stm32f10x.h"

#pragma diag_default 368	// 恢复368号警告
}

#define AF_MAXWINDOW 150	// 最大窗宽150

class AverageFilter
{
// Construction
public:
	AverageFilter( s32 ini, u16 nNum );

// Properties
public:
	u16 m_number;				// 指定平均的个数，最多150
	u16 m_seek;					// 游标
	s32 m_summation;			// 指定数组的总和
	s32 m_input[AF_MAXWINDOW];	// 数据缓存

private:

// Methods
public:
	s32 filter( s32 vi );		// 滤波算法
		
// Overwrite
public:
};

#endif

AverageFilter.cpp

/**
  ******************************************************************************
  * @file		AverageFilter.cpp
  * @author		Mr. Hu
  * @version	V1.0.0 STM32F103VET6
  * @date		06/06/2019
  * @brief		均值滤波
  ******************************************************************************
  * @remarks
  *		采用移位平均法，大大提高效率，不受数据数量的影响
  */ 

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
extern "C" {	// 兼容C，按C语言编译，Keil5中的包含文件已经加入了C++兼容，不用再加这一段
#pragma diag_remark 368			//消除 warning:  #368-D: class "<unnamed>" defines no constructor to initialize the following:

#pragma diag_default 368	// 恢复368号警告
}

#include "AverageFilter.h"

/**
  * @date	06/06/2019
  * @brief  均值滤波
  * @param	ini 初始值，避免前几个输出数偏差太大
  * @param	nNum 滤波数量，最大150，越大效果越好，但延时较多
  * @retval None
*/
AverageFilter::AverageFilter( s32 ini, u16 nNum )
: m_number(nNum)
, m_seek(0)
, m_summation(0)
{
	if( m_number > AF_MAXWINDOW )	// 控制在数组范围内
		m_number = AF_MAXWINDOW;
	
	// 初始化数组
	for( int i = 0; i < AF_MAXWINDOW; i++ )
	{
		m_input[i] = ini;
	}
	
	// 初始化总和
	m_summation = ini * m_number;
}

/**
  * @date	06/06/2019
  * @brief  滤波算法，采用移位算法，减去第一个，加上最后一个。
  * @param	vi 输入数据
  * @retval 滤波后输出数据
*/
s32 AverageFilter::filter( s32 vi )
{
	m_summation += ( vi - m_input[m_seek] );	// 总和中减去最早的数，加上新数
	
	// 用循环方法记录输入数据
	assert_param(m_number <= AF_MAXWINDOW);
	m_input[m_seek] = vi;
	if (++m_seek >= m_number)
		m_seek = 0;
	
	// 返回平均值
	return m_summation / m_number;
}

MedianFilter.h

#ifndef __MEDIANFILTER__
#define __MEDIANFILTER__

extern "C" {	// 兼容C，按C语言编译，Keil5中的包含文件已经加入了C++兼容，不用再加这一段
#pragma diag_remark 368			//消除 warning:  #368-D: class "<unnamed>" defines no constructor to initialize the following:

#include "stm32f10x.h"

#pragma diag_default 368	// 恢复368号警告
}

#define DF_MAXWINDOW 21		// 最大窗宽，奇数，太大了反而不好

class MedianFilter
{
// Construction
public:
	MedianFilter( s32 ini, u16 nNum );

// Properties
public:
	u16 m_dfMedian;				// 半窗宽，最大10
	u16 m_seek;					// 输入数据指针
	s32 m_input[DF_MAXWINDOW];	// 输入数据，循环使用，不用移位，提高效率
	s32 m_sort[DF_MAXWINDOW];	// 排序数据，最近输入的数据排序，取中间值输出

private:

// Methods
public:
	s32 filter( s32 vi );		// 滤波算法
		
// Overwrite
public:
};

#endif

MedianFilter.cpp

/**
  ******************************************************************************
  * @file		MedianFilter.cpp
  * @author		Mr. Hu
  * @version	V1.0.0 STM32F103VET6
  * @date		06/05/2019
  * @brief		中值滤波
  ******************************************************************************
  * @remarks
  *		中值滤波的原理是，每次取最近几个数的中间值作为输出数据，每个波形的最高和最低
  *	几个数被滤掉，优点是基本保留原有数据，相当于去掉几个最高数，去掉几个最低数，能有
  * 效抑制大幅值低频尖峰干扰，俗称椒盐噪声。
  */ 

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
extern "C" {	// 兼容C，按C语言编译，Keil5中的包含文件已经加入了C++兼容，不用再加这一段
#pragma diag_remark 368			//消除 warning:  #368-D: class "<unnamed>" defines no constructor to initialize the following:

#pragma diag_default 368	// 恢复368号警告
}

#include "MedianFilter.h"

/**
  * @date	06/05/2019
  * @brief  中值滤波
  * @param	ini 初始值，前几个输出数都是这个值
  * @param	nNum 滤波数，最大10，越大效果越好，但延时较多
  * @retval None
*/
MedianFilter::MedianFilter( s32 ini, u16 nNum )
: m_dfMedian(nNum)
, m_seek(0)
{
	if( m_dfMedian > (DF_MAXWINDOW - 1) / 2 )	// 中值限制在数组范围内
		m_dfMedian = (DF_MAXWINDOW - 1) / 2;
	
	// 初始化两个数组
	for( int i = 0; i < DF_MAXWINDOW; i++ )
	{
		m_input[i] = ini;
		m_sort[i] = ini;
	}
}

/**
  * @date	06/05/2019
  * @brief  滤波算法
  * @param	vi 输入数据
  * @retval 滤波后输出数据
*/
s32 MedianFilter::filter( s32 vi )
{
	u8 w1 = m_dfMedian * 2;		// 窗宽-1
	
	assert_param(w1 < DF_MAXWINDOW);
	
	// 计算将要移除的值在排序数组中的位置
	u8 j = 0;
	for (; j <= w1 && m_input[m_seek] != m_sort[j]; j++);

	// 移除最早的数据并把新数据插入到适当的位置
	// 如果新数据在较小半段，数据后移，否则数据前移，实现排序
	// 只处理大于和小于情况，等于时不动
	if (vi < m_input[m_seek])
	{	// 向前移
		while (j > 0 && vi < m_sort[j-1])
		{
			j--;
			m_sort[j + 1] = m_sort[j];
		}
	}
	else if (vi > m_input[m_seek])
	{	// 向后移
		while (j < w1 && vi > m_sort[j+1])
		{
			j++;
			m_sort[j - 1] = m_sort[j];
		}
	}

	// 加入新值
	assert_param(j >= 0 && j < w);
	m_sort[j] = vi;

	// 用循环方法记录输入数据，高效
	m_input[m_seek] = vi;
	if (++m_seek > w1)
		m_seek = 0;

	// 返回中间值
	return m_sort[m_dfMedian];
}

STM32实战系列源码，按键/定时器/PWM/ADC/DAC/DMA/滤波
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