10种经典软件滤波算法

Posted 2021-02-13 jiangzhaowei

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了10种经典软件滤波算法相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

10种软件滤波方法(来自网络代码未验证)

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

// eg.
#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

// eg.
/*   N值可根据实际情况调整
排序采用冒泡法*/
#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;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

// eg.
#define N 12
 
char filter()
{
    int sum = 0;
    for(count=0;count<N;count++){
        sum + = get_ad();
        delay();
    }
    return (char)(sum/N);
}

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

#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

// eg.
#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;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

// eg.
/* 为加快程序处理速度假定基数为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

// eg.
/* coe数组为加权系数表，存在程序存储区。*/
 
#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

// eg.
#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

11、IIR滤波？？？
A. 方法：
确定信号带宽，滤之。
Y(n) = a1*Y(n-1) + a2*Y(n-2) + ... + ak*Y(n-k) + b0*X(n) + b1*X(n-1) + b2*X(n-2) + ... + bk*X(n-k)
B. 优点：
高通，低通，带通，带阻任意。设计简单(用matlab）
C. 缺点：
运算量大。

// eg.
int BandpassFilter4(int InputAD4)
{
    int ReturnValue;
    int ii;
    RESLO=0;
    RESHI=0;
    MACS=*PdelIn;
    OP2=1068; //FilterCoeff4[4];
    MACS=*(PdelIn+1);
    OP2=8; //FilterCoeff4[3];
    MACS=*(PdelIn+2);
    OP2=-2001;//FilterCoeff4[2];
    MACS=*(PdelIn+3);
    OP2=8; //FilterCoeff4[1];
    MACS=InputAD4;
    OP2=1068; //FilterCoeff4[0];
    MACS=*PdelOu;
    OP2=-7190;//FilterCoeff4[8];
    MACS=*(PdelOu+1);
    OP2=-1973; //FilterCoeff4[7];
    MACS=*(PdelOu+2);
    OP2=-19578;//FilterCoeff4[6];
    MACS=*(PdelOu+3);
    OP2=-3047; //FilterCoeff4[5];
    *p=RESLO;
    *(p+1)=RESHI;
    mytestmul<<=2;
    ReturnValue=*(p+1);
    for (ii=0;ii<3;ii++)
    {
        DelayInput[ii]=DelayInput[ii+1];
        DelayOutput[ii]=DelayOutput[ii+1];
    }
    DelayInput[3]=InputAD4;
    DelayOutput[3]=ReturnValue;
 
//    if (ReturnValue<0)
//    {
//       ReturnValue=-ReturnValue;
//    }
    return ReturnValue;  
}

10种软件滤波方法(来自网络代码未验证)

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

// eg.
#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

// eg.
/* N值可根据实际情况调整
排序采用冒泡法*/
#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;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

// eg.
#define N 12
char filter()
{
int sum = 0;
for(count=0;count<N;count++){
sum + = get_ad();
delay();
}
return (char)(sum/N);
}

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

#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

// eg.
#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;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

// eg.
/* 为加快程序处理速度假定基数为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

// eg.
/* coe数组为加权系数表，存在程序存储区。*/
#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

// eg.
#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

// eg.
int BandpassFilter4(int InputAD4)
{
int ReturnValue;
int ii;
RESLO=0;
RESHI=0;
MACS=*PdelIn;
OP2=1068; //FilterCoeff4[4];
MACS=*(PdelIn+1);
OP2=8; //FilterCoeff4[3];
MACS=*(PdelIn+2);
OP2=-2001;//FilterCoeff4[2];
MACS=*(PdelIn+3);
OP2=8; //FilterCoeff4[1];
MACS=InputAD4;
OP2=1068; //FilterCoeff4[0];
MACS=*PdelOu;
OP2=-7190;//FilterCoeff4[8];
MACS=*(PdelOu+1);
OP2=-1973; //FilterCoeff4[7];
MACS=*(PdelOu+2);
OP2=-19578;//FilterCoeff4[6];
MACS=*(PdelOu+3);
OP2=-3047; //FilterCoeff4[5];
*p=RESLO;
*(p+1)=RESHI;
mytestmul<<=2;
ReturnValue=*(p+1);
for (ii=0;ii<3;ii++)
{
DelayInput[ii]=DelayInput[ii+1];
DelayOutput[ii]=DelayOutput[ii+1];
}
DelayInput[3]=InputAD4;
DelayOutput[3]=ReturnValue;
// if (ReturnValue<0)
// {
// ReturnValue=-ReturnValue;
// }
return ReturnValue;
}

以上是关于10种经典软件滤波算法的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

软件滤波算法设计参考方案（ADC滤波处理的十种方法）

滤波算法：经典卡尔曼滤波

通俗理解感知融合的经典算法：卡尔曼滤波

嵌入式开发10种常见数字滤波算法

通俗理解卡尔曼滤波（无人驾驶感知融合的经典算法）