工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中的數(shù)字濾波技術(shù)

1、<p>　　工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中的數(shù)字濾波技術(shù)</p><p>　　摘要：針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中的干擾信號(hào)、噪聲信號(hào)以及其它無(wú)用信號(hào)，本文首先介紹了數(shù)字濾波技術(shù)的特點(diǎn)及其重要性，然后簡(jiǎn)述了數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)方法，最后詳細(xì)闡述了工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中的常用數(shù)字濾波算法，為現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：測(cè)控系統(tǒng)，數(shù)字濾波，信號(hào)處理 </p

2、><p>　　中圖分類號(hào)：P24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p><b>　　1. 引言 </b></p><p>　　伴隨著現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，任何一個(gè)電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度（對(duì)信號(hào)最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的基本特點(diǎn)。濾波器則是根據(jù)電路參數(shù)對(duì)電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來(lái)的工程應(yīng)用電路。而現(xiàn)代的電子電路相互干擾越來(lái)越強(qiáng)

3、,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，特別是測(cè)控儀表微弱信號(hào)的處理，模擬濾波電路已經(jīng)不能滿足測(cè)控系統(tǒng)的要求，而數(shù)字濾波通過(guò)高難度的復(fù)雜處理可抑制噪聲、消除干擾、提高測(cè)控儀表的測(cè)量精度和可靠性。數(shù)字濾波無(wú)需硬件成本，可靠性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題，主要通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)，多輸入通道可共用一個(gè)濾波程序，降低系統(tǒng)開(kāi)支，通過(guò)改變數(shù)字濾波程序運(yùn)算方法或有關(guān)參數(shù)，可方便的改變?yōu)V波特性。數(shù)字濾波具有高可靠性、高精度、可程控改變特性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、便于集成、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 &l

4、t;/p><p>　　2. 數(shù)字濾波器及數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)方法 </p><p>　　所謂數(shù)字濾波器（digital filtering），通常是采用數(shù)字設(shè)備，通過(guò)一定的算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾除處理，得到新的信號(hào)的過(guò)程。從本質(zhì)上講，數(shù)字濾波實(shí)際上是一種算法，這種算法便于在數(shù)字設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　數(shù)字濾波器是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到期望的響應(yīng)特性的離散時(shí)間系統(tǒng)

5、。數(shù)字濾波器工作在數(shù)字信號(hào)域，它處理的對(duì)象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)位信號(hào)。在數(shù)字電路中，數(shù)字濾波器一般由寄存器、延時(shí)器、加法器和乘法器等一些基本運(yùn)算器件對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的特性。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器。 </p><p>　　通過(guò)單片機(jī)容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，但其速度和資源有限,不擅長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)算法和進(jìn)行復(fù)雜

6、的運(yùn)算，可以通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單算法的數(shù)字濾波。 </p><p>　　通用的可編程DSP芯片具有改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件累加器、乘法器等，并且有適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。當(dāng)然也可以采用可編程門(mén)陣列器件來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字濾波器。 </p><p>　　3. 工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中常用的數(shù)字濾波算法 </p><p>　　在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，為克服由儀表外

7、部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動(dòng)或儀器內(nèi)部不穩(wěn)定引起誤碼等造成的尖脈沖干擾，是儀表數(shù)據(jù)處理的第一步， 通常采用簡(jiǎn)單的非線性濾波法，比如限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法）與中位值濾波法。 </p><p>　　3.1 限幅濾波法 </p><p>　　限幅濾波是通過(guò)程序判斷被測(cè)信號(hào)的變化幅度，從而消除緩變信號(hào)中的尖脈沖干擾。限幅濾波能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，但無(wú)法抑制那種周期性的干擾，

8、平滑度差。 </p><p>　　3.2 中位值濾波法 </p><p>　　中位值濾波是一種典型的非線性濾波，它運(yùn)算簡(jiǎn)單，在濾除脈沖噪聲的同時(shí)可以很好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息。中位值濾波能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)液位變化緩慢的測(cè)量?jī)x表有良好的濾波效果，相反對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)則不宜采用。 </p><p>　　抑制小幅度高頻電子噪聲、電子器件熱噪聲

9、、A/D量化噪聲，通常采用具有低通特性的線性濾波器，例如算數(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、一階滯后數(shù)字濾波法等。 </p><p>　　3.3 算術(shù)平均濾波法 </p><p>　　算術(shù)平均濾波法是對(duì)N個(gè)連續(xù)采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次測(cè)量的濾波值。N值較大時(shí)，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。對(duì)于N值的選取：流量，N=12

10、；壓力，N=4。不適用于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制，而且比較浪費(fèi)RAM。 </p><p>　　3.4 遞推平均濾波法 </p><p>　　各種平均濾波算法有一個(gè)共同點(diǎn)，即每獲取一個(gè)有效采樣值必須連續(xù)進(jìn)行若干次采樣，當(dāng)采速度慢時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到保證。而遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）只采樣一次，將該采樣值和過(guò)去的若干次采樣值一起求平均，得到的有效采樣值即可投入使

11、用。 </p><p>　　如果取N個(gè)采樣值求平均，存儲(chǔ)區(qū)中必須開(kāi)辟N個(gè)數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。每新采集一個(gè)數(shù)據(jù)便存入緩存區(qū)中，同時(shí)去掉一個(gè)最老數(shù)據(jù)，保持這N個(gè)數(shù)據(jù)始終是最新數(shù)據(jù)，叫作先進(jìn)先出原則。把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選?。毫髁?，N=12；壓力：N=4；液位，N=4~12；溫度，N=1~4。這種數(shù)字濾波法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)，但靈敏度低，對(duì)

12、偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)RAM。 </p><p>　　3.5 加權(quán)遞推平均濾波法 </p><p>　　加權(quán)遞推平均濾波法是對(duì)遞推平均濾波法的改進(jìn)，它的原理是對(duì)連續(xù)N次采樣值分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加，加權(quán)系數(shù)一般先小后大，以突出后面若干采樣的效果，加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)。各個(gè)加權(quán)系數(shù)均為小于1的小數(shù)，且滿足總和等于1的結(jié)

13、束條件。這樣加權(quán)運(yùn)算之后的累加和即為有效采樣值。加權(quán)平均數(shù)字濾波的數(shù)學(xué)模型如公式(1). </p><p><b>　　,, (1) </b></p><p>　　式中：為n個(gè)采樣值的加權(quán)平均值：為第n-i次采樣值；n為采樣次數(shù)；為加權(quán)系數(shù)。加權(quán)系數(shù)體現(xiàn)了各種采樣值在平均值中所占的比例。加權(quán)遞推平均濾波法可突出一部分信號(hào)抵制另一部分信號(hào)，以提高采樣值變化的靈敏度。給予

14、新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越低。適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。對(duì)于變化緩慢的信號(hào)，不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。 </p><p>　　3.6 一階滯后數(shù)字濾波法 </p><p>　　本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果；a=0~1，a濾波系數(shù)，通常a遠(yuǎn)小于1。一階滯后數(shù)字濾波法良好的抑制了周期性干擾適

15、用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合，但相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。這種濾波法能很好的克服傳統(tǒng)模擬量濾波器RC網(wǎng)絡(luò)精度下降的缺點(diǎn)，更適合用在濾波常數(shù)要求較大的場(chǎng)合。 </p><p>　　3.7 中位值平均濾波法 </p><p>　　中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”，屬于復(fù)合濾波法。連

16、續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。N值的選取：3~14。這種方法既能抑制隨機(jī)干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾，但測(cè)量速度較慢，比較浪費(fèi)RAM。 </p><p>　　3.8 限幅平均濾波法 </p><p>　　限幅平均濾波法相當(dāng)于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”的復(fù)合濾波法， </p><p>　　在脈沖干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合，

17、既可以抑制偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，但比較浪費(fèi)RAM，適用于緩變信號(hào)的濾波。 </p><p>　　3.9消抖濾波法與限幅消抖濾波法 </p><p>　　對(duì)于變化緩慢的被測(cè)參數(shù)，“消抖濾波法”可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開(kāi)/關(guān)跳動(dòng)或顯示器上數(shù)值抖動(dòng)。而“限幅消抖濾波法” 繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點(diǎn)，避免將干擾值導(dǎo)入系統(tǒng)。 </p>&

18、lt;p>　　另外，確定信號(hào)帶寬后，可設(shè)計(jì)成高通、低通、帶通、帶阻等多種復(fù)雜算法的數(shù)字濾波器。典型的數(shù)字濾波器有IIR濾波、FIR 濾波、Kalman濾波，Wenner濾波、自適應(yīng)濾波、小波變換（wavelet）等。 </p><p><b>　　4. 結(jié)論 </b></p><p>　　采用軟件算法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波技術(shù)是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在工業(yè)測(cè)控

19、系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，可能不僅僅采用一種濾波方法，而是綜合運(yùn)用上述的多種方法或更復(fù)雜的數(shù)字濾波法對(duì)隨機(jī)干擾、熱噪聲、系統(tǒng)噪聲、測(cè)量誤差、零點(diǎn)偏移等數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到系統(tǒng)要求。數(shù)字濾波技術(shù)在高保真的信號(hào)處理，如數(shù)字音頻、雷達(dá)、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 邢海霞, 王

20、新風(fēng).嵌入式測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的實(shí)現(xiàn).《電子元器件應(yīng)用》2009年04期 </p><p>　　[2] 陽(yáng)玲.工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)軟件抗干擾技術(shù).《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》1996年05期 </p><p>　　[3] 劉琪芳.單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)字濾波算法研究. 《機(jī)械工程與自動(dòng)化》2011年03期 </p><p>　　[4] 彭先洪,姚云茂,何共建,劉磊.數(shù)字濾波技術(shù)在精密測(cè)量