[发明专利]一种低资源消耗的数字滤波方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业自动控制领域，具体涉及一种低资源消耗的数字滤波方法，用于对采集到的模拟量进行数字滤波。

背景技术

在工业自动控制领域，由于现场电磁环境的限制，设备的现场模拟量信号中常会耦合入不同数量级的噪声，如果不对模拟量信号进行滤波处理，则会影响系统的性能和控制品质，通常可采用硬件滤波或软件滤波两种方式进行滤波处理。

硬件滤波即采用硬件滤波器，对模拟量信号直接进行滤波处理，这种方式对仅使用模拟量电路的简易系统是必须的、无法替代的。但当对数字式控制系统进行采样时，还可以采用软件对表示模拟量信息的采样值进行滤波，即数字滤波。对于两种滤波处理方式，硬件滤波实时性好，但硬件滤波采用的硬件滤波器占用体积大，而且不能灵活调整参数；而数字滤波的实时性比硬件滤波要差，但优点是不需要硬件滤波器，占用空间小，而且可以通过编程实现滤波参数甚至是滤波器形式的灵活调整。

目前的数字滤波技术有很多种，从简单的算术平均值滤波(低通滤波)到各种复杂的滤波都有，这些数字滤波技术在性能和资源消耗上存在差异。对于采用小型或微型控制器的系统而言，硬件资源(CPU运行速度和存储资源)并不是很丰富，在实践中通常采用的都是低通滤波器，即各种平均值滤波器。标准的算术平均值滤波是连续进行N(N为自然数)次采样后得到一组采样值，对这一组采样值取算术平均值所得结果作为滤波输出，这种方法虽然实现简单，但最大的负作用是N次采样后滤波输出的等效采样率仅为实际采样率的1/N，根据采样定理，为了保证信号不失真，采样率应大于等于信号最高频率的2倍，而这种算术平均值滤波受到硬件资源的限制，无法做很大时间常数的滤波。一种改进的平均值滤波方法为滑动窗口平均值滤波方法，该方法中需要维护一个长度为N的一维表格，即历史采样记录表，用于缓存N个连续的采样值，对一维表格中的数据进行算数平均值计算，采用先入先出形式更新一维表格中的数据，即每完成一次采样，则将当前采样值加入一维表格中，并将最早加入到一维表格中的一个采样值移出。这种方法解决了等效采样率下降的问题，但由于需要编护历史采样记录表，所以资源消耗比较大，尤其是在需要进行较大时间常数的滤波时。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低资源消耗的数字滤波方法，解决了小微型控制器实现的工业设备自动控制过程中的模拟量低通滤波效果和资源占用之间平衡的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种低资源消耗的数字滤波方法，包括如下步骤：

步骤101：设置滤波相关参数，并通过N次采样获得每次采样的采样值，相关参数包括滤波空间、采样值权重、采样值相对变化范围、以及超出正常范围采样值处理策略，其中超出正常范围采样值处理策略是逻辑型数据，滤波空间为自然数N；

步骤102：当检测到首次采样值时，则直接将首次采样值作为首次滤波输出；

步骤103：对于除首次采样值之外的采样值，判断本次采样值与上次采样值之间的差值是否在采样值相对变化范围内；如果是，则进行步骤104，否则进行步骤105；

步骤104：按照如下公式计算本次滤波输出：

其中，A_a为本次滤波输出，A_a1为上次滤波输出，A_N为本次采样值，b为采样值权重；

步骤105：如果超出正常范围采样值处理策略的值为“1”，则将本次采样值作为本次滤波输出；如果为“0”，则转入下次滤波输出的计算。

优选的，在步骤101后还包括：在线调整滤波相关参数的步骤。

本发明提供了一种低资源消耗的数字滤波方法，采样本方法进行滤波，在滤波空间相同的情况下，本方法的平滑度效果是滑动窗口平均值滤波方法的2倍左右，同时，本方法仅需记录上次和本次采样值，以及上次和本次滤波输出，占用4个内存变量，占用资源小；计算量仅为一次减法、一次乘法、一次除法和一次加法，或者将b/N作为一个参数，而仅计算一次减法、一次乘法和一次加法；且由于不需要维护历史采样记录表，因此可以根据需要灵活地改变滤波空间，而不用担心内存溢出的问题。适合于大多数工业环境下的小、微型控制器应用。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，以下以本发明方法在“抽汽调整阀控制器”中的应用为实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。