10种AD采样的软件滤波方法及算法

AD采样点的电压多少有点起伏波动，经运放放大后电压的波动如果超过ADC的分辩率，则显示的值会出现波动。波动如果十分大的话， 建议在硬件上滤波，相反，如果波动较小，你可以用软件滤波方法解决这个问题。

1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法） 
    A、方法： 
        根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A） 
        每次检测到新值时判断： 
        如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效 
        如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值 
    B、优点： 
        能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 
    C、缺点 
        无法抑制那种周期性的干扰 
        平滑度差    

2、中位值滤波法 
    A、方法： 
        连续采样N次（N取奇数） 
        把N次采样值按大小排列 
        取中间值为本次有效值 
    B、优点： 
        能有效克服因偶然因素引起的波动干扰 
        对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果 
    C、缺点： 
        对流量、速度等快速变化的参数不宜

3、算术平均滤波法 
    A、方法： 
        连续取N个采样值进行算术平均运算 
        N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低 
        N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高 
        N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4 
    B、优点： 
        适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 
        这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动 
    C、缺点： 
        对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 
        比较浪费RAM        

4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） 
    A、方法： 
        把连续取N个采样值看成一个队列 
        队列的长度固定为N 
        每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则) 
        把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果 
        N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4 
    B、优点： 
        对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高 
        适用于高频振荡的系统     
    C、缺点： 
        灵敏度低 
        对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差 
        不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 
        不适用于脉冲干扰比较严重的场合 
        比较浪费RAM        

5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法） 
    A、方法： 
        相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法” 
        连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值 
        然后计算N-2个数据的算术平均值 
        N值的选取：3~14 
    B、优点： 
        融合了两种滤波法的优点 
        对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 
    C、缺点： 
        测量速度较慢，和算术平均滤波法一样 
        比较浪费RAM

6、限幅平均滤波法 
    A、方法： 
        相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法” 
        每次采样到的新数据先进行限幅处理， 
        再送入队列进行递推平均滤波处理 
    B、优点： 
        融合了两种滤波法的优点 
        对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 
    C、缺点： 
        比较浪费RAM

7、一阶滞后滤波法 
    A、方法： 
        取a=0~1 
        本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果 
    B、优点： 
        对周期性干扰具有良好的抑制作用 
        适用于波动频率较高的场合 
    C、缺点： 
        相位滞后，灵敏度低 
        滞后程度取决于a值大小 
        不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号

8、加权递推平均滤波法 
    A、方法： 
        是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权 
        通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。 
        给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低 
    B、优点： 
        适用于有较大纯滞后时间常数的对象 
        和采样周期较短的系统 
    C、缺点： 
        对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号 
        不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差

9、消抖滤波法 
    A、方法： 
        设置一个滤波计数器 
        将每次采样值与当前有效值比较： 
        如果采样值＝当前有效值，则计数器清零 
        如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N(溢出) 
            如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器 
    B、优点： 
        对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果, 
        可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动 
    C、缺点： 
        对于快速变化的参数不宜 
        如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统

10、限幅消抖滤波法 
    A、方法： 
        相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法” 
        先限幅,后消抖 
    B、优点： 
        继承了“限幅”和“消抖”的优点 
        改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统 
    C、缺点： 
        对于快速变化的参数不宜 

前面闲来无事，整理了下平时用得比较多的部分MCU滤波算法，当然 代码网上都有，我只是做了一个搬运工，合并了一些算法，整理成模块函数，需要用的时候直接调用就可以。这里简单介绍包含的内容，详细代码和使用说明在附件里。大家可自行查阅。

AD滤波算法函数模块说明：

  一、该模块包含滤波算法有：中位值滤波、中位值平均滤波、递推平均滤波、一阶滞后滤波。用户可根据项目不同情况选用不同的滤波算法。

1.1、中位值滤波：连续采样N次(N取奇数)，把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。适用范围能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。不过对流量、速度等快速变化的参数不宜。

1.2、中位值平均滤波：连续采用N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。适用范围：对应偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。但是测量速度较慢, 比较浪费RAM。

1.3递推平均滤波：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据，把队列中得N个数据进行算术平均运算，就可以获得新的滤波结果。

适用范围：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统。缺点是灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合。

1.4、一阶滞后滤波：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高得场合。缺点就是相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a的大小，不能消除滤波频率高于采样频率1/21/2的干扰信号。本次滤波结果result=(1-a)*本次采样值+a*上次值。a=(0~1）

二、滤波函数

2.1、中位值/中位值平均滤波函数

函数名：FILTER_median(TYPE_STATE Flag)

输入值：Flag：选择中位值滤波或中位值平均滤波

                ON：中位值平均滤波  OFF：中位值滤波

返回值：滤波结果

2.2、递推平均滤波函数

函数名：FILTER_recursive()

输入值：无

返回值：sum：滤波结果

2.3、一阶滞后滤波函数

函数名：FILTER_firstorder()

输入值：无

返回值：value：滤波结果

 

备注：在干电池剩余电量检测中，经过测试对比数据，使用中位值平均滤波算法比较合适。数据整体表现平稳，灵敏度较高，脉冲干扰直接滤除。测试数据如下：

 

单片机源程序如下:

1. /*********************************************************
2. *文件名:  filter.c
3. *日  期:  2018/7/26
4. *描  述:  AD滤波算法函数集合
5. *备  注:  
6. **********************************************************/
7. #include "filter.h"
8. /*************************************
9.   函数名：Delay
10.   描  述：软件延时
11.   输入值：ncount ：延时时长
12.   返回值：无
13. **************************************/
14. void Delay(unsigned short int ncount)
15. {
16.   for(; ncount != 0; ncount--);
17. } 
20. /*
21. uint16_t FILTER_limit()                                        //限幅滤波  A为两次采样最大偏差值
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.   函数名：FILTER_median
38.   描  述：中位值滤波：连续采样N次(N取奇数)，
39.         把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。
40.         适用范围能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，
41.         对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。
42.         不过对流量、速度等快速变化的参数不宜。
43.         
44.   中位值平均滤波：连续采用N个数据，去掉一个最大值
45.         和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。
46.         适用范围：对应偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲
47.         干扰所引起的采样值偏差。但是测量速度较慢, 比较浪费RAM。
48.         
49.   输入值：Flag：选择中位值滤波或中位值平均滤波
50.           ON：中位值平均滤波  OFF：中位值滤波
51.   返回值：滤波结果
52.         备注：中位值滤波：N取奇数，N=2^x次方+1 为宜
53.                                 中位值平均滤波：N=2^x次方+2 为宜
54. ******************************************************/
55. unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag)        //中位值滤波   中位值平均滤波  N为采样次数，取奇数  Flag:中位值平均滤波使能
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转换
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标志控制
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.   函数名：FILTER_recursive
93.   描  述：递推平均滤波：把连续取N个采样值看成一个队列，
94.         队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并
95.         扔掉原来队首的一次数据，把队列中得N个数据进行算术平
96.         均运算，就可以获得新的滤波结果。
97.         适用范围：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，
98.         适用于高频振荡的系统。缺点是灵敏度低，对偶然出现的
99.         脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引
100.         起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合
101.   输入值：无
102.   返回值：sum：滤波结果
103.         备注：N=2^x次方 为宜
104. ***************************************************/
105. unsigned short int FILTER_recursive()                                        //递推平均滤波  N为队列长度
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)                                                                                                        //每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据。（先进先出原则）
113.         {                                                                                                                                //把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果
114.                 value_temp[i] = AD_VALUE;
115.                 i++;
116.                 i=(i==N)?0:i;                                                                        //三目运算 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.   函数名：FILTER_firstorder
132.   描  述：一阶滞后滤波：取a=(0,1）
133.         本次滤波结果result=(1-a)*本次采样值+a*上次值
134.         对周期性干扰具有良好的抑制作用，
135.         适用于波动频率较高得场合。缺点就是相位滞后，灵敏度低，
136.         滞后程度取决于a的大小，不能消除滤波频率高于采样频率1/21/2的干扰信号
137.   输入值：无
138.   返回值：value：滤波结果
139.         备注：A取值0——100 A值越小，滤波结果越平稳，但是灵敏度越低
140.                                                                                  A值越大，灵敏度越高，但是滤波结果越不稳定
141. *****************************************************************/
142. unsigned short int FILTER_firstorder()                                        //一阶滞后滤波，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;        // 三目运算，避免第一次采样value值为0
147.         new_value = AD_VALUE;                                                                
148.         
149.         value = (100-A)*value/100 + A*new_value/100;
150.         return value;
151. }

复制代码

1. /*********************************************************
2. *文件名:  filter.h
3. *日  期:  2018/7/26
4. *描  述:  AD滤波算法函数头文件
5. *备  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值声明 meanvalue根据情况改变
20. #define  AD_VALUE          meanvalue                //        ADC采集值 meanvalue根据情况改变可直接宏定义AD函数
21. #define A 50                                                                                // 一阶滞后滤波系数
22. #define N 9                                                                                // 采样次数 不同的滤波方法取值不同
23. #define TIME        300                                                        //AD读取延时，等待AD采集完成 大致够AD采集时间即可
25. /******** 函******* 数 ******* 声 ******* 明 ********/
26. unsigned short int FILTER_limit(void);                  //限幅滤波
27. unsigned short int FILTER_median(TYPE_STATE Flag);                  //中位值滤波   中位值平均滤波 Flag:中位值平均滤波使能
28. unsigned short int FILTER_recursive(void);        //递推平均滤波
29. unsigned short int FILTER_firstorder(void);        //一阶滞后滤波
31. #endif