工業(yè)測控系統中的數字濾波技術

1、<p>　　工業(yè)測控系統中的數字濾波技術</p><p>　　摘要：針對現代工業(yè)測控系統中的干擾信號、噪聲信號以及其它無用信號，本文首先介紹了數字濾波技術的特點及其重要性，然后簡述了數字濾波實現方法，最后詳細闡述了工業(yè)測量系統中的常用數字濾波算法，為現代工業(yè)測控系統的實時性、穩(wěn)定性、可靠性提供了堅實的基礎。 </p><p>　　關鍵詞：測控系統，數字濾波，信號處理 </p

2、><p>　　中圖分類號：P24文獻標識碼：A </p><p><b>　　1. 引言 </b></p><p>　　伴隨著現代工業(yè)測控系統的復雜性，任何一個電子系統都具有自己的頻帶寬度（對信號最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統的基本特點。濾波器則是根據電路參數對電路頻帶寬度的影響而設計出來的工程應用電路。而現代的電子電路相互干擾越來越強

3、,系統的數據采集，特別是測控儀表微弱信號的處理，模擬濾波電路已經不能滿足測控系統的要求，而數字濾波通過高難度的復雜處理可抑制噪聲、消除干擾、提高測控儀表的測量精度和可靠性。數字濾波無需硬件成本，可靠性高，不存在阻抗匹配問題，主要通過軟件算法實現，多輸入通道可共用一個濾波程序，降低系統開支，通過改變數字濾波程序運算方法或有關參數，可方便的改變?yōu)V波特性。數字濾波具有高可靠性、高精度、可程控改變特性、實時性強、便于集成、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。 &l

4、t;/p><p>　　2. 數字濾波器及數字濾波的實現方法 </p><p>　　所謂數字濾波器（digital filtering），通常是采用數字設備，通過一定的算法，對信號進行濾除處理，得到新的信號的過程。從本質上講，數字濾波實際上是一種算法，這種算法便于在數字設備上實現。 </p><p>　　數字濾波器是對數字信號進行濾波處理以得到期望的響應特性的離散時間系統

5、。數字濾波器工作在數字信號域，它處理的對象是經由采樣器件將模擬信號轉換而得到的數位信號。在數字電路中，數字濾波器一般由寄存器、延時器、加法器和乘法器等一些基本運算器件對輸入的數字信號進行運算和處理，從而實現設計要求的特性。它可以是時不變的或時變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應用最廣的是線性、時不變數字濾波器。 </p><p>　　通過單片機容易實現人機接口，但其速度和資源有限,不擅長實現算法和進行復雜

6、的運算，可以通過單片機實現一些簡單算法的數字濾波。 </p><p>　　通用的可編程DSP芯片具有改進的哈佛總線結構，內部有硬件累加器、乘法器等，并且有適用于數字信號處理的指令系統，容易實現數字濾波。當然也可以采用可編程門陣列器件來開發(fā)數字濾波器。 </p><p>　　3. 工業(yè)測控系統中常用的數字濾波算法 </p><p>　　在工業(yè)測控系統中，為克服由儀表外

7、部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動或儀器內部不穩(wěn)定引起誤碼等造成的尖脈沖干擾，是儀表數據處理的第一步， 通常采用簡單的非線性濾波法，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>　　限幅濾波是通過程序判斷被測信號的變化幅度，從而消除緩變信號中的尖脈沖干擾。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，它運算簡單，在濾除脈沖噪聲的同時可以很好地保護信號的細節(jié)信息。中位值濾波能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對液位變化緩慢的測量儀表有良好的濾波效果，相反對流量、速度等快速變化的參數則不宜采用。 </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，例如算數平均濾波法、遞推平均濾波法、加權遞推平均濾波法、一階滯后數字濾波法等。 </p><p>　　3.3 算術平均濾波法 </p><p>　　算術平均濾波法是對N個連續(xù)采樣值相加，然后取其算術平均值作為本次測量的濾波值。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。對于N值的選?。毫髁?，N=12

10、；壓力，N=4。不適用于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制，而且比較浪費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共同點，即每獲取一個有效采樣值必須連續(xù)進行若干次采樣，當采速度慢時，系統的實時性得不到保證。而遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）只采樣一次，將該采樣值和過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個采樣值求平均，存儲區(qū)中必須開辟N個數據的緩存區(qū)。每新采集一個數據便存入緩存區(qū)中，同時去掉一個最老數據，保持這N個數據始終是最新數據，叫作先進先出原則。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?。毫髁浚琋=12；壓力：N=4；液位，N=4~12；溫度，N=1~4。這種數字濾波法對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，但靈敏度低，對

12、偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費RAM。 </p><p>　　3.5 加權遞推平均濾波法 </p><p>　　加權遞推平均濾波法是對遞推平均濾波法的改進，它的原理是對連續(xù)N次采樣值分別乘上不同的加權系數之后再求累加，加權系數一般先小后大，以突出后面若干采樣的效果，加強系統對參數變化趨勢的認識。各個加權系數均為小于1的小數，且滿足總和等于1的結

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

14、新采樣值的權系數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。適用于有較大純滯后時間常數的對象和采樣周期較短的系統。對于變化緩慢的信號，不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。 </p><p>　　3.6 一階滯后數字濾波法 </p><p>　　本次濾波結果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結果；a=0~1，a濾波系數，通常a遠小于1。一階滯后數字濾波法良好的抑制了周期性干擾適

15、用于波動頻率較高的場合，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。這種濾波法能很好的克服傳統模擬量濾波器RC網絡精度下降的缺點，更適合用在濾波常數要求較大的場合。 </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）相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”，屬于復合濾波法。連

16、續(xù)采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。N值的選?。?~14。這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾，但測量速度較慢，比較浪費RAM。 </p><p>　　3.8 限幅平均濾波法 </p><p>　　限幅平均濾波法相當于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”的復合濾波法， </p><p>　　在脈沖干擾較嚴重的場合，

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

18、lt;p>　　另外，確定信號帶寬后，可設計成高通、低通、帶通、帶阻等多種復雜算法的數字濾波器。典型的數字濾波器有IIR濾波、FIR 濾波、Kalman濾波，Wenner濾波、自適應濾波、小波變換（wavelet）等。 </p><p><b>　　4. 結論 </b></p><p>　　采用軟件算法實現的數字濾波技術是工業(yè)測控系統的一個重要組成部分，在工業(yè)測控

19、系統的實際應用中，可能不僅僅采用一種濾波方法，而是綜合運用上述的多種方法或更復雜的數字濾波法對隨機干擾、熱噪聲、系統噪聲、測量誤差、零點偏移等數字信號進行運算處理，以達到系統要求。數字濾波技術在高保真的信號處理，如數字音頻、雷達、圖像處理、數據傳輸和生物醫(yī)學等領域中已廣泛應用。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 邢海霞, 王

20、新風.嵌入式測控系統中數字濾波算法的實現.《電子元器件應用》2009年04期 </p><p>　　[2] 陽玲.工業(yè)測控系統軟件抗干擾技術.《計算機應用》1996年05期 </p><p>　　[3] 劉琪芳.單片機測控系統的數字濾波算法研究. 《機械工程與自動化》2011年03期 </p><p>　　[4] 彭先洪,姚云茂,何共建,劉磊.數字濾波技術在精密測量