基于微控制器数字滤波实现

2013-04-27谭家杰

衡阳师范学院学报 2013年6期

谭家杰

（衡阳师范学院物理与电子信息科学系，湖南衡阳 421002）

0 引言

数字滤波是语音信号处理、图象处理、谱分析等领域中的一个基本处理技术。目前，数字滤波器的实现方式较多，主要集中在：通用计算机加软件实现［1－3］；专用 DSP（digital signal processor）芯片实现［4］；可编程逻辑器件来开发数字滤波器［5－8］；或用微控制器实现［8－12］。以微控制器为主要器件实现数字滤波器相对采用DSP器件或可编程逻辑器件要容易、简单得多，在微控制器的滤波器实现方面主要有（1）微控制器滤波器算法研究［9］。（2）微控制器配合程控滤波模块实现［10－13］。论文的滤波器系统以STC12C5A16S2微控制器为核心，该器件自带10位A／D。系统配合 MAX538D／A转换芯片，加上LCD1602显示滤波类型，并辅之以按键来切换滤波算法。系统功能是对采样数据进行滤波处理，系统实现的算法有：限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波五种滤波算法。

1 基本原理

微控制器（micro controller unit，MCU），俗称单片机，其主要精于实时控制，不长于复杂的算法。微控制器实现数字滤波算法最大问题是微控制器的运行速度慢，尤其是基于51核的微控制器，它一般将外部晶振进行12分频，器件运行速度大减。若将此类微控制器用于完成FIR、IIR滤波器有一定困难。因此，都采用微控制器配合其它器件来实现滤波器算法，如文献［10］以可控放大器PGA203为核心实现滤波器；文献［11］以AT89S52控制程控放大实现滤波；文献［12－13］以微控制器控制集成开关电容有源滤波器MAX262来实现滤波；上述文献进一步说明了传统51微控制器不可能像DSP芯片那样完成复杂的滤波运算。随着微控制器技术的快速发展，它在运行速度方面有了很大改进。采用流水线指令结构，废除机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，平均每一时钟执行1条单周期指令，这方面主要有C8051F系列微控制器。精简指令集CPU代替复杂指令集CPU，以字作为指令长度单位，可高速执行指令，这方面有AVR单片机。采用单时钟概念，将机器周期从12个缩短至4到6个，这种器件如STC微控制器＊。上述微控制器的进展为实现简单算法滤波器提供了技术保障。

微控制器进行数据采样时，电路存在相互干扰、电源噪声、电磁噪声，模拟输入信号会叠加干扰信号。所以，微控制器进行数据采集时应该尽量减少噪声信号对数据的影响，数据采集时的滤波称为数据采集滤波。目前数据采集滤波方法主要分为时域处理和频域处理，单片机简单滤波是在时域上进行处理的。微控制器实现的简单滤波算法有限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波，其原理如下：

（1）限幅滤波：该方法能有效克服系统偶然因素引起的脉冲干扰。它的基本原理是根据经验确定两次采样允许的最大偏差值，如果本次采样值与上次值的差小于等于偏差值，则本次采样值有效。如果本次采样值与上次值的差大于偏差值，选用上次值代替本次值。

（2）中值滤波：该方法适合参数变化缓慢的系统。其原理是连续N次采样值按照大小排序，一般N为奇数，取中间值作为本次采样值。完成此类算法，影响算法速度的是对N个值排序。要使滤波达到预期效果应尽量减少N的大小。

（3）算术平均滤波：选择长度N至关重要，过长灵敏度较高，反之，灵敏度低。它的原理是以N个采样值进行算术平均，以算术平均值作为当前采样值［9］。

（4）加权平均滤波：它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求加权平均，加权系数一般先小后大，即离当前采样值的时间越近则权越大，并以加权平均值作为当前采样值。

（5）滑动平均滤波：此方法适合周期性的干扰场合，对周期性干扰有较好的抑制作用。它的原理是连续采集N个采样值作为队列，将每次采样一个新值作为队尾，将队首舍去，并将平均值作为当前采样值［9］。

上述算法除限幅滤波较简单外，其它四种滤波方式都有共同特点，即算法占用存储器较多，相对限幅滤波算法复杂，它们占有的存储资源和时间资源与采样次数N成正比。如采用中值滤波时，长度过大，在排序时占有的时间资源就多。为克服缺点，一方面以连续N次采样值作为队列，当前采样值作为队尾并舍去队首，然后根据不同算法得到当前值。另一方面N值不必过大，中值滤波和加权滤波长度为3，算术平均滤波和滑动平均滤波的长度为4。

2 系统设计

2.1 硬件设计

硬件设计时主要考虑因素有微控制器选择、滤波算法选择实现、滤波类型显示方式及D／A转换。

（1）微控制器的选择。简单滤波器系统以STC12C5A16S2微控制器为核心器件，主要原因在于它是单时钟／机器周期（1T）器件，指令代码兼容传统8051，且速度则快8～12倍。器件自带10位精度ADC，转换速率达250KPS＊，器件组成的系统可以直接对模拟信号进行采样，可以减少硬件的复杂性。这种微控器工作频率最高可达35MHz，相当于普通微控器的420MHz，设计时系统的外部时钟可采用32.768MHz晶振。

（2）滤波算法选择。设计轻触按钮接P3.0实现外部中断，以供微处理器选择实现滤波算法。其中接P3.0口的按键可以实现外部中断，其优先级别最高，可在中断服务中设置算法标志参数。它用于选择滤波算法的类型有着独特的优势。

（3）滤波算法显示。为了让操作者系统执行的滤波具体算法，可用LCD1602实时显示滤波器类型。其中，P0口可用于LCD1602写数据、指令，程序仅对LCD1602进行写操作，P0口无需上拉电阻。P4.7－P4.5接 LCD1602的控制端口，其中，P4.7用于写数据或写指令控制。P4.6用于写控制，因此写程序时P4.6口为低电平。P4.5接LCD1602的片选信号端口，其作用是下降沿触发时用于锁存数据。

（4）D／A转换。将滤波后的数字信号进行DAC转换，并用示波器观察输出的波形确定算法的效果。硬件系统的DAC可用美信公司的串行D／A转换器件MAX538，它与微控制器的接口简单，且单一5伏供源，内置12位串行缓冲器，输出为电压大小。根据它的工作时序，它的时钟频率上限为14 MHz，数据更新速率达877kHz［14］。因此，系统采用MAX538能满足硬件要求。

综合上述设计要点，设计的硬件系统如图1所示。

2.2 软件设计

软件算法流程有着至关重要的作用，系统代码采用C语言在Keil uVsion2.0集成环境中进行，为了有序地完成代码，根据图1的硬件设计了系统的算法流程如图2所示。将系统程序分为前台部分和后台部分，其中前台主要指是在主程序（main）中运行。在主程序主要完成A／D转换初始化、系统初始化、LCD初始化。这三大模块上电后前台运行，其作用是完成各种初始化，完毕则等待中断产生。

图1 滤波器硬件

图2 滤波算法流程图

A／D转换初始化主要完成以下工作：

（1）写寄存器 P1M1、P1M0将 P1.7口设置为高阻态，仅为输入。

（2）P1ASF寄存器将 P1.7口置‘1’，设置为模拟功能，注意P1ASF的地址为0x9d不能用位寻址，因此写成以P1ASF｜＝0x80。

（3）设置A／D转换控制寄存器ADC＿CONTR。即，打开A／D转换电源；选择A／D转换速度，转换时间设置为90个机器周期完成一次；选择转换通道。同样该寄存器不能用位寻址，设置时代码为ADC＿CONTR＝0xe7。

系统初始化主要功能为：

（1）通过写寄存器 P4SW、P4M1、P4M0 将P4.7、P4.6、P4.5置为通用IO准双向口。

（2）设置AUXR寄存器，T0不进行12分频以加快滤波节拍。

（3）设置定时器T0初始值，并开外部中断0和定时计数器0中断，但不启动定时器T0，待LCD初始化完成后启动定时计数器T0工作。

（4）初始滤波类型标志变量，并调用LCD1602子程序显示滤波模式。

LCD初始化主要完成LCD1602的初始化工作，包括显示模式、光标模式等。三个初始化子程序是有先后顺序的，调用顺序为先LCD初始化，然后A／D转换初始化，最后系统初始化。

软件的系统中断服务为后台运行，主程序初始化完成用while（1）等待中断产生。如果有外部中断时，运行中断服务程序，根据滤波类型标志变量值选择滤波类型。如果没有外部中断，系统一直等待定时计数器T0溢出，因此数字滤波器处理一次的时间长度是由TL0、TH0、A／D转换时间、滤波子程序运行时间和D／A转换时间决定的，称这个时间为一拍。在定时计数器T0的中断服务程序中，先关闭T0中断，然后用分支转向根据滤波类型标志变量值调用滤波子程序，再调DA转换子程序，最后开T0中断。其中，A／D转换子程序查询标志位完成，并放在滤波子程序中调用。软件设计注意以下事项：

（1）中断服务程序不能过长，尽量简单。软、硬件调试发现，在中断服务程序中过多调用子程序，尤其是子程序嵌套调用容易出问题。

（2）尽量缩短一拍的时间，如，T0设置为1T，A／D转换速度设为最快，滤波子程序尽量简单。

（3）滤波算法问题，所有A／D转换的数据暂存采用全局变量，因此为了减少存储空间，用一个数组来存取采样数据，并用队列的形式存储。

（4）A／D采样用查询方式，也是这种处理方式的缺点，这样增加了一拍的时间，采用中断方式可以节约时间，但是程序运行的可控性不好。

（5）写代码时注意寄存器是否能用位寻址，如P1M1、P1M0、P1ASF、P4M1、P4M0、P4SW、ADC＿CONTR、AUXR。此类特殊寄存器必须先定义不用位寻址方式进行赋值。

3 系统实验

3.1 实验方案

系统实验装置是由信号源、滤波系统和示波器三大部分组成，具体实验装置的实物如图3所示。为完成实验，设计并制作了信号源，其原理是采用微控制器和DAC器件直接合成信号。信号源是图3中的左边箭头所指电路板实物，右边箭头为微控制器滤波系统实物。信号源主要采用STC12C5410AD微控制器和 TLC5615D／A转换器，其作用是产生所需信号。测试时，将信号接入滤波系统，然后测试滤波效果。

图3 系统实验装置

信号源的波形数据先用matlab7.1软件计算出，在仿真波形符合要求的情况下，得到测试波形数据，再写入程序的数据表格。信号经过滤波能达到两方面的效果，一方面能滤除不需要的频率成分，另一方面能使信号到达平滑的效果。所以，实验方案按照以下两种情形完成。

（1）信号源产生正弦、锯齿波、方波、三角波。由于信号是查表输出的，信号的平滑性能不好，可将信号接入滤波系统，用示波器观察滤波输出，观察滤波系统输出的效果。

（2）信号源输出具有周期脉冲噪声的信号，滤波系统对这种信号进行采样、滤波输出，比较并观察其滤波效果。

为了具体说明第二种具有噪声信号的产生方式及效果，采用matlab7.1软件产生带有噪声的信号，将修改好信号数据的文件下载至微控制器中。信号源上电后，用示波器观察得如图4所示的四种波形，即正弦、锯齿、方波和三角波。这四种信号都含有周期的脉冲噪声，在图4中用箭头所指的信号。这种情形下的实验，是为了验证滤波器能否滤除图中的周期突发脉冲。如果按照情形（1）实验，信号源的波形不含图4中的周期脉冲。

图4 带有噪声的信号

3.2 实验效果

实验时是将信号源的输出信号送入系统滤波并对比五种滤波的效果。按照情况（1）进行实验，以输出信号的平滑程度为判断标准。滑动滤波的效果最好，其次为中值滤波和加权滤波，效果较差的为限幅滤波。

由于实验的图片很多，仅将滑动滤波得到波形以图5列出。

图5 滑动平均滤波输出波形

为测试情形（2）的滤波效果，同样完成了四种波形的五种滤波方式，这里以正弦信号为例，五种算法得到的信号如图6所示。图中每种算法输出信号，上图是指滤波器输入信号，下图为滤波器输出信号。其中，从输出信号的平滑程度来看，从坏到好的排列顺序为：限幅、中值、加权平均、平滑平均、算术平均。

图6 带有噪声滤波输出图

4 结论

在数据采样中用微控制器实现简单数字滤波算法具有系统简单、易于实现，对于直接合成信号的平滑程度而言，采用滑动平均滤波的效果最好。对于周期的突发脉冲噪声来说，采用算术平均输出的效果较好。采用限幅噪声滤波输出的效果不佳。加权平均滤波要获得较好的效果，当前采样值的权重应该最大。采用微控制器，尽管选用速度较快的器件，但是存在滤波信号不能大于500Hz，这也是微控制器固有的弱点，如要完成更高频率信号的滤波，可以考虑STM32M3系列器件完成。

＊宏晶公司的STC12C5A60S2系列单片机器件手册

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