克服随机误差的软件算法.ppt

1、第四章 微机应用系统中软件设计,微机应用系统中的软件组成 : 监控程序； 中断服务程序； 完成各种测控算法的功能模块 。 主要介绍直接与测量与控制有关算法，如： 克服随机误差的数字滤波算法； 克服系统误差的校正算法； PID控制算法等， 以及监控程序设计的基本方法。,4.1 克服随机误差的软件算法,随机误差是由窜入仪表的随机干扰所引起，这种误差是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则的变化而无法预测，但在多次测量中它是符合统计规律的误差。 为了克服随机干扰引入的误差，首先必须在仪器的结构和电路上采取各种防护干扰的措施和方法。减小外界干扰对仪器的影响(如，屏蔽、滤波等)在此基础上再按统

2、计规律用软件算法来进一步抑制有效信号中的干扰成分，消除随机误差，以保证系统的正常，可靠运行。,采用数字滤波算法克服随机干扰引入的误差具有如下优点： (1) 数字滤波无需硬件，只是一个计算过程，因此可靠性高，不存在阻抗匹配问题，尤其是数字滤波可以对频率很高或很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器所不及的。 (2) 数字滤波是用软件算法实现的。因此可以使多个输入通道共用一个软件“滤波器”，从而降低仪器仪表的硬件成本。 (3) 只要适当改变软件滤波器的滤波程序或运算参数，就能方便地改变滤波特性，这对于低频，脉冲干扰，随机噪声特别有效。,一、一阶惯性滤波 进行数字化处理：,设： 得： 而且 若取采样间隔t

3、足够小，则atRC,滤波器的截止频率为： 一阶惯性滤波算法适用滤波常数要求较大的场合，且对于周期干扰具有良好的抑制作用。,二、限幅滤波 基本方法是比较相邻(n和n-1时刻)的两个采样值 和 ，如果它们的差值过大，超过了参数可能的最大变化范围，则认为发生了随机干扰，并视后一次采样值 为非法值，应予剔除， 作废后，可以用 替代 ，或采用递推方法由 , (n-1,n-2时刻的滤波值)来近似推出，其相应算法为： 上式中a表示相邻两个采样值之差的最大可能变化范围，上述限幅滤波算法很容易用程序判断的方法实现，故又称程序判断法。,设Data1和Data2为内部RAM单元，分别存放上次滤波值 和本次采样值 ，

4、滤波值也存入Data2单元(均为单字节)，则实现算法的程序如下所示： PRODET: MOV A,DATA2 CLR C SUBB A,DATA1 JNC PRODT1;若 转PRODT1 CPL A ;若 则求补 INC A PRODT1: CJNE A,#a,PRODT2 ;若 转PRODT2 AJMP DONE PRODT2：JC DONE ;若 转DONE MOVE DATA2，DATA1 ;否则 DONE： RET,三、中位值滤波 中位值滤波是对某一被测参数连续采样n次(一般n取奇数)，然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。 中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样

5、器不稳定引起的误码等脉冲干扰。 对温度，液位等缓慢变化的被测参数，采用此法能收到良好的滤波效果，但对于流量，压力等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波。 设SAMP为存放采样值的内存单元首地址，DATA为存放滤波值的内存单元地址，N为采样值个数，中位值滤波程序如下：,FILTER: MOV R3,#N-1 ；置循环初值 SORT: MOV R2,R3 ；循环次数送R2 MOV R0,#SAMP ；采样值首地址送R0 LOOP: MOV A,R0 INC R0 CLR C SUBB A,R0 ； yn-yn-1A JC DONE ； ynyn-1转DONE ADD A,R0 ；恢复A XCH A

6、,R0 ； ynyn-1交换数据 DEC R0 MOV R0,A INC R0 DONE: DJNZ R2 LOOP ； R20 继续比较 DJNZ R3 SORT ； R30 继续循环,MOV A,R0 ADD A,SAMP ；计算中值地址 CLR C RRC A MOV R0,A MOV DATA,R0 ；存放滤波值 ENT,四、算术平均滤波法 算术平均滤波法就是连续取n个采样值进行算术平均，其数学表达式为： 算术平均滤波法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这种信号的特点是信号本身在某一数值范围附近上下波动，在这种情况下仅取一个采样值作依据显然是不准确的。 算术平均滤波法对信号的平滑

7、程度取决于N，当N较大时，平滑度高，但灵敏度低，当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应视具体情况选取N，以使既少占用计算时间，又达到最好的效果，,五、递推平均滤波法 递推平均滤波法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，这样在队列中始终有N个 “最新”的数据，计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可得到新的滤波值，这样每进行一次测量，就可以得到一个新的平均滤波值，这种滤波算法称为递推平均滤波法，其数学表达式为： 设N为采样值个数，SAMP为存放双字节采样值的内存单元首址，P_SAMP为指针(单字节)，get

8、_Data为一采集子程序，其结果存放在R6、R7单元，则实现递推平均滤波的子程序如下：,START: LCALL get_data MOV R0,P_SAMP MOV A,R7 MOV R0,A INC R0 MOV A,R6 MOV R0,A INC R0 MOV P_SAMP,R0 MOV A,#SAMP ADD A,#N*2 CJNE A,P_SAMP,LP1 LP1: JNC LP2 MOV P_SAMP,#SAMP LP2: LCALL FILTER RET,六、加权滑动平均滤波 N项加权滑动平均滤波算法为： 式中，y为第n采样值经滤波后的输出；Xn-i为未经滤波的第n-i次采样值；C0,C1.Cn-1为权系数，且满足如下条件： C0 + C1 + C2 + . + Cn-1 = 1 C0 C1 . Cn-1 0 选择权系数Ci的灵