第5章(过程控制数据处理方法-数字滤波技术)

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7.1．2 算术平均值滤波
LCALL MOV MOV LCALL RET MOV MOV MOV MOV MOV INC MOV MOV INC MOV CLR FDIV A，R0 R1，A FSTR 36H，R6 37H，R2 38H，R3 A，@R0 R3，A R0 A，@R0 R2，A R0 R1，#MED1 3AH ；计算N次采样值累加和的平均值 ；存放平均值 ；保护中间结果

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7.1．4 滑动平均值滤波
滑动平均值滤波程序有两种： 一种是滑动算术平均值滤波， 一种是滑动加权平均值滤波。
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7.1．5 RC低通数字滤波

前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波， 适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。

仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，用数字形 式实现低通滤波，可以提高滤波效果。 如图7-3所示。
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7 .1 .6 复合数字滤波
为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以 上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复
合数字滤波器，或称多级数字滤波器。
[例如]

算术平均滤波/加权平均滤波只能对周期性的脉动采样值 进行平滑加工。
中值滤波可以解决随机的脉冲干扰(电网的波动，变送器 的临时故障等)。 将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。
第七章：过程控制数据处理方法
7.1 数字滤波技术 7.2 量程自动转换和标度变换 7.3 测量数据预处理技术
第七章：过程控制数据处理方法
数据采集--在计算机控制系统中，是最基本的一种模式。 一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物 理参数转换成电信号，然后经A/D通道或DI通道， 把数字量送入计算机中。
（7-7）
式中，X(k)——第k次采样值； Y(k-1)——第k-1次滤波结果输出值；
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7.1．5 RC低通数字滤波
Y(k)——第k次滤波结果输出值； ——滤波平滑系数， 1 e T T——采样周期。 对于一个确定的采样系统而言，T为已知量，所 以由 1 eT ，可得 T l n 1 （7-8） 当 << 1时，ln(1-)-1= ，则式（7-8）可简化 为 T T 或 (7-9）
当|Y(2)-Y(1)|＞△y时，继续采样取得 Y(3)
若|Y(3)-Y(2)|≤△Y时，则取Y(3)输入计算机 当|Y(3)-Y(2)|＞△Y时，则取Y(3)+Y(2)/2输入计算机
(7-2)
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7.1.1 程序判断滤波
用途：


主要用于变化比较缓慢的参数，（温度、物位等）
门限值△Y的选取：
数据处理--计算机在对这些数字量进行显示和控制之前， 还必须根据需要进行相应的数值计算即数据处理。 为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的 数据处理技术方法，如测量数据预处理，数字滤 波，量程自动转换和标度变换等。
7.1 数字滤波技术
引言：

问题：环境干扰使采样值偏离真实值， 因此需要滤波； 目的：提高信/噪比；
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7.1.1 程序判断滤波
2．限速滤波 （1）基本原理 最多可用三次采样值来决定采样结果。

作法：当|Y(2)-Y(1)|＞△Y时，再采样一次，取得Y(3)，
根据|Y(3)-Y(2)|与△Y的大小关系来决定本次采样值。

设在 t1、t2、t3 顺序采样值依次为为 Y(1)、Y(2)、Y(3)， 若|Y(2)-Y(1)|≤△Y ，取 Y(2)输入计算机
（2）限 速 滤 波 程 序
ORG 8000H PRODT2：MOV CLR SUBB JNC CPL INC LOOP1： MOV MOV CLR SUBB JNC CPL INC
A， 20H ；A←Y(1) C ；进位位清零 A， 21H ；计算Y(1)-Y(2) LOOP1 ；Y(1)-Y(2)≥0，转LOOP1 A ；负数，取反加1 A 23H， A ；23H←｜Y(1)-Y(2)｜ A， 21H ；计算 ｜Y(2)-Y(3)｜ C A， 22H LOOP2 A ；负数，取反加1 A
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7.1.1 程序判断滤波
取Y(2)
图7-1 限速滤波程序流程图
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7.1.1 程序判断滤波
内存分配:

Leabharlann Baidu
20H、21H、22H ：Y(1)、Y(2)、Y(3)


23H、24H—中间结果
LIMIT-- △Y


滤波结果存放在A累加器中。
限速滤波程序如下：
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7.1.1 程序判断滤波

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数字滤波技术的优点： （1）无需增加任何硬设备。
（2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。
（3）可多通道共享，从而降低了成本。
（4）可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波。
（5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的 滤波方法或改变滤波器的参数。
数字滤波的几种常用方法： （1）程序判断滤波 （2）中值滤波 （3）算术平均值滤波 （4）加权平均值滤波 （5）滑动平均值滤波 （6）RC低通数字滤波 （7）复合数字滤波
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7.1.3 加权平均值滤波


算术平均滤波法滤波结果中取每次采样值的1/N。 有时为提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，求其和 作为滤波结果，称为加权平均法。 n 1 一个 n 项加权平均式为 Y ( k ) Ci X n 1

i 1
(7-5)
式中C0、Cl、…、Cn-l均为常数项，应满足下列关系：
7.1.2 算术平均值滤波
算术平均值滤波是要寻找一个Y(k)，使该值与各采 样值间误差的平方和为最小，即 N
S min[ e2 (i )]
i 1
由一元函数求极值原理，得
min
2 [ y ( i ) x ( i ) ] i 1
N
式(7-3) Y (k ) — 第k次N个采样值的算术平均值； (7-3)式中， x (i ) — 第i次采样值； N — 采样次数。
7.1．2 算术平均值滤波
DATA EQU MED1 EQU COUNT EQU MED2 EQU 20H 30H 33H 36H
7.1．2 算术平均值滤波
说明：

算术平均滤波主要用于对周期脉动的采样值进行
平滑加工（如压力、流量等）

对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。 随着 N值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。 经验数据：流量参数滤波时，N取12次，压力取4 次，如无噪声干扰，温度可不取平均值。
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7.1．5 RC低通数字滤波
图7-3 RC低通滤波器
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7.1.5 RC低通数字滤波
由图7-3，写出模拟低通滤波器的传递函数，即 X ( s) 1 (7-6) Gs
Y (s)
s 1
其中， 为 RC滤波器的时间常数，＝RC。 RC低通数字滤波软件实现：
Y k 1 Y k 1 X k
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算术平均值滤波浮点运算子程序
ORG 8000H FARIFT:MOV R6, #40H ;置初值0 MOV R2, #00H MOV R3, #00H MOV A, COUNT PUSH A MOV R0， #DATA
7.1．2 算术平均值滤波
LOOP：LCALL LOADXI ；R7（阶）R4R5←X(i) CLR 3AH ；执行加法 LCALL FABP ；R6（阶）R2R3 + R7（阶）R4R5 ；→R4（阶）R2R3 MOV A，R4 ；送累加和到R6（阶）R2R3 MOV R6，A DJNZ COUNT，LOOP ；N≠0，继续相加 LCALL FSTR ；N次采样的累加和送（R1）指向的3个单元 POP A ；恢复N MOV R2，#00H ；送N到R2R3 MOV R3，A MOV A，#MED2 XCH A，R1 MOV R0，A ；累加和送（R0）指向的3个单元中 CLR 3CH LCALL INTF ；将N转换成浮点数
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7.1.1 程序判断滤波
（1）方法：
① 根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间 可能出现的最大允许偏差 △Y。 ② 若两次采样信号之间的偏差 超过△Y ：则表明 该输入信号是干扰信号，去掉。小于△Y ：将信号作 为本次采样值。
（2）应用场合：
当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的 启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变 送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法 进行滤波。
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滤波方法——限幅滤波 和 限速滤波
1．限幅滤波 作法： |Y(k)-Y(k-1)|≤△Y,则取Y(k)= Y(k) |Y(k)-Y(k-1)| ＞△Y,则Y(k)= Y(k-1)
(7-1)
式中：Y(k)—— 第 k 次采样值； Y(k-1)——第(k-1)次采样值； △Y——相邻两次采样值允许的最大偏差。 （大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应）。
△ Y太大，增大了系统误差允许的程度；
△ Y太小，又会使计算机采样效率变低。
（根据经验数据获得,必要时也可由实验得出）。
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7.1.1 程序判断滤波

特点:限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样 的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。 缺点： ① △Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不 断更换新值； ② 不能反映采样点数 N＞3 时各采样数值受干扰 情况。 实际中，可取[|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)]/2取代△Y 这样既保持限速滤波的特性，又加大了灵活性。 （如图7-1）
C
i 0
n 1
i
1
(7-5) 式中 C0、Cl、C2、…、Cn-l 为各次采样值的系数。
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7.1.4 滑动平均值滤波
算术平均值滤波，加权平均值滤波，适合于有脉 动式干扰的场合。 采用滑动平均值滤波法，可加快平均滤波的速度。 作法：在RAM中建立一个数据缓冲区， 依顺序存放N次采样数据，每采进一个新数据 就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新 数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均 值。 这样，每一次采样，就可计算出一个新的平均值。
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1、防脉冲干扰的平均值滤波 上述滤波方法的原理可由下式表示： 若 X(1)≤X(2)≤…≤X(N), 3≤ N≤14
X (2) X (3) X ( N 1) Y (k )
N 2
1 N 1 X (i ) N 2 i 2
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LOOP2： MOV 24H， A ;24H←｜Y（2）-Y（3）｜ ADD A， 23H ;Y=[｜Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)｜]/2 RRC A MOV LIMIT，A ;（LIMIT）← △ Y MOV A， 23H CJNE A，LIMIT，DONE1 AJMP DONE2 ；｜Y(1)-Y(2)｜＝ △ Y，转DONE2 DONE1： JC DONE2 ；｜Y(1)-Y(2)｜< △ Y，转DONE2 MOV A， 24H ；A ←｜Y(2)-Y(3)｜ CJNE A，LIMIT，DONE4 AJMP DONE5 ；｜Y(2)-Y(3)｜＝ △ Y，转DONE5 DONE4： JC DONE5 ；｜Y(2)-Y(3)｜< △ Y，转DONE5 AJAMP DONE6 DONE5：MOVA，22H ；｜Y(2)-Y(3)｜≤ △ Y，取Y(3) AJMP DONE3
LOADXI：
7.1．2 算术平均值滤波
LCALL MOV MOV INC MOV MOV INC MOV MOV DEC DEC MOV MOV MOV RET INTF ；转换成3字节浮点数 A，@R1 ；把3字节浮点数送到R7（阶）R4R5 R7，A R1 A，@R1 R4，A R1 A，@R1 R5，A R1 R1 R6，36H ；恢复中间结果 R2，37H R3，38H
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7.1.1 程序判断滤波
DONE6：MOV A，21H；｜Y(2)-Y(3)｜>△Y，取[Y(3)+Y(2)]/2 ADD A，22H RRC A AJMP DONE3 DONE2：MOV A，21H ；｜Y(1)-Y(2)｜ ≤△Y，取Y(2） DONE3：RET LIMIT EQU 30H