工業(yè)測控系統(tǒng)中的數(shù)字濾波技術

1、<p>　　工業(yè)測控系統(tǒng)中的數(shù)字濾波技術</p><p>　　摘要：針對現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)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(shù)字濾波技術的特點及其重要性，然后簡述了數(shù)字濾波實現(xiàn)方法，最后詳細闡述了工業(yè)測量系統(tǒng)中的常用數(shù)字濾波算法，為現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)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(tǒng)，數(shù)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(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)的復雜性，任何一個電子系統(tǒng)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(tǒng)的基本特點。濾波器則是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設計出來的工程應用電路。而現(xiàn)代的電子電路相互干擾越來越強

3、,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，特別是測控儀表微弱信號的處理，模擬濾波電路已經(jīng)不能滿足測控系統(tǒng)的要求，而數(shù)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(shù)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(xiàn)，多輸入通道可共用一個濾波程序，降低系統(tǒng)開支，通過改變數(shù)字濾波程序運算方法或有關參數(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、實時性強、便于集成、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。 &l

4、t;/p><p>　　2. 數(shù)字濾波器及數(shù)字濾波的實現(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(zhì)上講，數(shù)字濾波實際上是一種算法，這種算法便于在數(shù)字設備上實現(xiàn)。 </p><p>　　數(shù)字濾波器是對數(shù)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(tǒng)

5、。數(shù)字濾波器工作在數(shù)字信號域，它處理的對象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號轉換而得到的數(shù)位信號。在數(shù)字電路中，數(shù)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(shù)字信號進行運算和處理，從而實現(xiàn)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(shù)字濾波器。 </p><p>　　通過單片機容易實現(xiàn)人機接口，但其速度和資源有限,不擅長實現(xiàn)算法和進行復雜

6、的運算，可以通過單片機實現(xiàn)一些簡單算法的數(shù)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(nèi)部有硬件累加器、乘法器等，并且有適用于數(shù)字信號處理的指令系統(tǒng)，容易實現(xiàn)數(shù)字濾波。當然也可以采用可編程門陣列器件來開發(fā)數(shù)字濾波器。 </p><p>　　3. 工業(yè)測控系統(tǒng)中常用的數(shù)字濾波算法 </p><p>　　在工業(yè)測控系統(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(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、加權遞推平均濾波法、一階滯后數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)的緩存區(qū)。每新采集一個數(shù)據(jù)便存入緩存區(qū)中，同時去掉一個最老數(shù)據(jù)，保持這N個數(shù)據(jù)始終是最新數(shù)據(jù)，叫作先進先出原則。把隊列中的N個數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)，但靈敏度低，對

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(shù)之后再求累加，加權系數(shù)一般先小后大，以突出后面若干采樣的效果，加強系統(tǒng)對參數(shù)變化趨勢的認識。各個加權系數(shù)均為小于1的小數(shù)，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(shù)字濾波的數(shù)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(shù)；為加權系數(shù)。加權系數(shù)體現(xiàn)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(shù)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(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。對于變化緩慢的信號，不能迅速反應系統(tǒng)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(shù)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(shù)，通常a遠小于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(tǒng)模擬量濾波器RC網(wǎng)絡精度下降的缺點，更適合用在濾波常數(shù)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(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)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(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(shù)，“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(shù)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(tǒng)。 </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(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(xiàn)的數(shù)字濾波技術是工業(yè)測控系統(tǒng)的一個重要組成部分，在工業(yè)測控

19、系統(tǒng)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(shù)字濾波法對隨機干擾、熱噪聲、系統(tǒng)噪聲、測量誤差、零點偏移等數(shù)字信號進行運算處理，以達到系統(tǒng)要求。數(shù)字濾波技術在高保真的信號處理，如數(shù)字音頻、雷達、圖像處理、數(shù)據(jù)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

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