STM32的ADC采樣及各式濾波算法實現(xiàn)

前言：本文為手把手教學(xué)ADC采樣及各式濾波算法的教程，本教程的MCU采用STM32F103ZET6。以HAL庫的ADC采樣函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行教學(xué)，通過各式常見濾波的實驗結(jié)果進(jìn)行分析對比，搭配VOFA+工具直觀的展示濾波效果。

實驗效果圖：

一、ADC采樣

1.1 ADC簡介

單片機是數(shù)字芯片，只認(rèn)識由0和1組成的邏輯序列。但實際情況下，生活中還有許多非0和1的模擬物理量存在，例如溫度，濕度等。這時候往往需要使用到AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換的英文就是Analog(模擬) to Digital(數(shù)字) ，由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量;同理DA，則為Digital to Analog，數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。

ADC，Analog to Digital Converter 的縮寫，中文名稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以將外部的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。使用它去讀取IO口上的數(shù)值將不再是簡單的0或1，而是連續(xù)可變的數(shù)值。ADC采樣就是把隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量。

ADC幾個比較重要的參數(shù)：

(1)測量范圍：測量范圍對于 ADC 來說就好比尺子的量程，ADC 測量范圍決定了你外接的設(shè)備其信號輸出電壓范圍，不能超過 ADC 的測量范圍(比如，STM32系列的 ADC 正常就不能超過3.3V)。

(2)分辨率：假如 ADC 的測量范圍為 0-5V，分辨率設(shè)置為12位，那么我們能測出來的最小電壓就是 5V除以 2 的 12 次方，也就是 5/4096=0.00122V。很明顯，分辨率越高，采集到的信號越精確，所以分辨率是衡量 ADC 的一個重要指標(biāo)。

(3)采樣時間：當(dāng) ADC 在某時刻采集外部電壓信號的時候，此時外部的信號應(yīng)該保持不變，但實際上外部的信號是不停變化的。所以在 ADC 內(nèi)部有一個保持電路，保持某一時刻的外部信號，這樣 ADC 就可以穩(wěn)定采集了，保持這個信號的時間就是采樣時間。

(4)采樣率：也就是在一秒的時間內(nèi)采集多少次。很明顯，采樣率越高越好，當(dāng)采樣率不夠的時候可能會丟失部分信息，所以 ADC 采樣率是衡量 ADC 性能的另一個重要指標(biāo)(詳細(xì)參考信號處理方向書籍)

1.2 STM32的ADC

STM32 擁有 1~3 個 ADC(STM32F101/102 系列只有 1 個 ADC，STM32F103系列則有3個ADC和1個DAC)，這些 ADC 可以獨立使用，也可以使用雙重模式(提高采樣率)。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有 18 個通道，可測量 16 個外部和 2 個內(nèi)部信號源。各通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。

特別說明：

ADC 是12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，

輸出數(shù)值范圍是 0 ~ 2^12 -1(0 ~ 4095)，滿量程是 3.3V ，

分辨率就是最低有效位(LSB)的對應(yīng)輸入電壓值。

分辨率 =3300/4095 ≈ 0.806mV。

STM32F10X 系列將 ADC 的轉(zhuǎn)換分為 2 個通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。規(guī)則通道相當(dāng)于正常運行的程序，而注入通道呢，就相當(dāng)于中斷打斷式通道選擇。在程序正常執(zhí)行的時候，中斷是可以打斷程序執(zhí)行的。同這個類似，注入通道的轉(zhuǎn)換可以打斷規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換， 在注入通道被轉(zhuǎn)換完成之后，規(guī)則通道才得以繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

二、VOFA+

2.1 VOFA+簡介

VOFA+是一款直觀、靈活、強大的插件驅(qū)動高自由度的上位機，在與電氣打交道的領(lǐng)域里，如自動化、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等，都能看到VOFA+的身影。VOFA+的名字來源于：Volt/伏特、Ohm/歐姆、Fala/法拉、Ampere/安培，是電氣領(lǐng)域的基礎(chǔ)單位，與他們的發(fā)明者——4位電子物理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)巨人，分別同名。他們的首字母共同構(gòu)成了VOFA+的名字。

VOFA+特點概覽：

平臺支持：Windows、Linux、MacOS;

接口支持：串口(超高波特率，穩(wěn)定支持)、網(wǎng)口(TCP客戶端/服務(wù)端，UDP);

協(xié)議支持：協(xié)議為插件，已開源，人人可編寫。目前已支持CSV風(fēng)格的字符串協(xié)議，和十六進(jìn)制浮點數(shù)組形式的字節(jié)流協(xié)議;

控件支持：控件為插件，已開源，人人可編寫。目前已支持波形圖、按鈕、狀態(tài)燈、圖片、滑動條、3D立方控件(可更換模型)等;

數(shù)據(jù)維度自由化：2維度與3維，一個也不能拉下;

自主研發(fā)的波形控件：支持每通道百萬采樣點的繪制，性能強勁;

自主研發(fā)的波形控件：無縫嵌入了實時直方統(tǒng)計和點數(shù)可設(shè)置的傅里葉變換，可以使用VOFA+進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 VOFA+使用方法

VOFA+的數(shù)據(jù)協(xié)議引擎有3種：FireWater，JustFloat，RawData。每種數(shù)據(jù)協(xié)議引擎都有自己特殊的使用效果，讀者朋友可以根據(jù)自己的實際需要去選擇使用。作者這里主要給大家演示一下FireWater協(xié)議下的VOFA+使用效果和方法。

FireWater協(xié)議是CSV風(fēng)格的字符串流，直觀簡潔，編程像printf簡單。但由于字符串解析消耗更多的運算資源(無論在上位機還是下位機)，建議僅在通道數(shù)量不多、發(fā)送頻率不高的時候使用。

將鼠標(biāo)放到FireWater協(xié)議上，可以很貼心的得到使用格式幫助。如上圖所示，我們使用printf("simples:%f, %f ", sin(t1), sin(t2)")函數(shù)進(jìn)行打印測試。

#include "math.h"
#include "stdio.h"
....
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  float t1 = 0;
  float t2 = 0;
  /* USER CODE END 1 */
.......


 while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */


    /* USER CODE BEGIN 3 */
    t1 += 0.1;
        t2 += 0.5;
    printf("simples:%f, %f
", sin(t1), sin(t2));     
    HAL_Delay(100);  
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

1、選擇串口通訊、端口號、波特率等參數(shù)設(shè)置;

2、去控件中選擇波形圖，拉入tab中，右鍵選擇Y軸將2個輸入I0與I1都選中，之后開啟串口連接;

3、運行上位機，使用波形圖控件讀取下位機參數(shù);

三、濾波算法與效果

受限于MCU自身的ADC外設(shè)缺陷，其精度和穩(wěn)定性通常較差，很多場景下需要采取濾波補償。

濾波的作用就是減少噪聲與干擾對數(shù)據(jù)測量的影響。

3.1、不添加濾波算法采樣

直接采集3.3V的電壓：

VOFA+讀取到的數(shù)據(jù)：

上圖借助VOFA+上位機可以清楚看出未使用濾波的ADC采樣波動還是比較明顯的，但是作者主觀干啥F1系列的ADC確實好像比F4系列的ADC穩(wěn)定些。(之所以不是4096可能是因為電源未達(dá)到3.3v)

四、濾波算法

4.1、一階互補濾波

方法：取a=0~1,本次濾波結(jié)果=(1-a)本次采樣值+a上次濾波結(jié)果

優(yōu)點：對周期性干擾具有良好的抑制作用適用于波動頻率較高的場合

缺點：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

代碼如下：

//一階互補濾波
int firstOrderFilter(int newValue, int oldValue, float a)
{
    return a * newValue + (1-a) * oldValue;
}




ADC_value=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);//獲取ADC1的數(shù)值


//主函數(shù)
while(1){
    HAL_ADC_Start(&hadc1);            //開啟ADC1，放置在while循環(huán)中
    Filtering_Value = firstOrderFilter(HAL_ADC_GetValue(&hadc1),ADC_value,0.3);    //濾波算法
    HAL_Delay(10);                //延遲函數(shù)，防止采樣失效
    printf("ADC_value:%d
", ADC_value);
}

VOFA+軟件的效果圖：

結(jié)論：

一階互補濾波的局限性還是很大的，效果非常一般。

4.2、中位值濾波

方法：連續(xù)采樣N次(N取奇數(shù))把N次采樣值按大小排列取中間值為本次有效值

優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的波動干擾;對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果

缺點：對流量，速度等快速變化的參數(shù)不宜

代碼如下：

//中值濾波算法
int middleValueFilter(int N)
{
      int value_buf[N];
      int i,j,k,temp;
      for( i = 0; i < N; ++i)
      {
        value_buf[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  


      }


      for(j?=?0?;?j? value_buf[k+1])
              {
                temp = value_buf[k];
                value_buf[k] = value_buf[k+1];
                value_buf[k+1] = temp;
              }
          }
      }


      return value_buf[(N-1)/2];
}

VOFA+軟件的效果圖：

結(jié)論如下：

中值濾波對消除異常值和平穩(wěn)化AD采樣都具有十分有效的結(jié)果。

4.3、算術(shù)平均濾波

方法：連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運算;

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

N值的選?。阂话懔髁?，N=12;壓力：N=4

優(yōu)點：試用于對一般具有隨機干擾的信號進(jìn)行濾波。這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。

缺點：測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算較快的實時控制不適用。

代碼：

//算術(shù)平均值濾波
int averageFilter(int N)
{
     int sum = 0;
     short i;
     for(i = 0; i < N; ++i)
     {
        sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  
     }
     return sum/N;
}

VOFA+軟件的效果圖：

結(jié)論：

算術(shù)平均濾波表現(xiàn)出了一定的平穩(wěn)性，同時具有波動的伴隨性(合理選擇N值可能達(dá)到很好的效果)。

4.4、滑動平均濾波

方法：把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N。每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)。把隊列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運算,就可獲得新的濾波結(jié)果。

N值的選?。毫髁?，N=12;壓力：N=4;液面，N=4~12;溫度，N=1~4

優(yōu)點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高;試用于高頻振蕩的系統(tǒng)

缺點：靈敏度低;對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不適于脈沖干擾較嚴(yán)重的場合

比較浪費RAM(改進(jìn)方法，減去的不是隊首的值，而是上一次得到的平均值)

代碼：

//平滑均值濾波
#define N 10
int value_buf[N];
int sum=0;
int curNum=0;


intmoveAverageFilter()
{
      if(curNum < N)
      {
          value_buf[curNum] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
          sum += value_buf[curNum];
          curNum++;
          return sum/curNum;
      }
      else
      {
          sum -= sum/N;
          sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
          return sum/N;
      }
}

VOFA+軟件的效果圖：

結(jié)論：

平滑均值濾波相較于普通的算術(shù)平均濾波，突出一個平滑特性。

可以從上述VOFA+的波形圖看出，平滑濾波可以有效抵消AD采樣的刺噪并穩(wěn)定化采集(據(jù)作者同門實戰(zhàn)反應(yīng)平滑濾波的效果還是非常好的，尤其在控制方面)。

4.5、限幅平均濾波

方法：相當(dāng)于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”

每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理再送入隊列進(jìn)行遞推平均濾波處理

優(yōu)點：對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除有其引起的采樣值偏差。

缺點：比較浪費RAM

代碼如下：

//限幅平均濾波
#define A 50        //限制幅度閾值
#define M 12
int data[M];
int First_flag=0;


intLAverageFilter()
{
    int i;
    int temp,sum,flag=0;
    data[0] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    for(i=1;iA || ((data[i-1]-temp)>A))
      {
          i--;
          flag++;
      }
      else
      {
          data[i]=temp;
      }
    }


    for(i=0;i

	

	VOFA+軟件的效果圖：

	

	結(jié)論：

	限幅平均濾波類似于縫合怪，但是效果是非常顯著的，它有效的解決了實際場景下突變噪聲對AD采樣的影響，但是消耗內(nèi)存。

	4.6、卡爾曼濾波

	核心思想：根據(jù)當(dāng)前的儀器"測量值" 和上一刻的 “預(yù)測量” 和 “誤差”，計算得到當(dāng)前的最優(yōu)量，再預(yù)測下一刻的量。里面比較突出的是觀點是：把誤差納入計算，而且分為預(yù)測誤差和測量誤差兩種，通稱為噪聲。還有一個非常大的特點是：誤差獨立存在，始終不受測量數(shù)據(jù)的影響。

	優(yōu)點：巧妙的融合了觀測數(shù)據(jù)與估計數(shù)據(jù)，對誤差進(jìn)行閉環(huán)管理，將誤差限定在一定范圍。適用性范圍很廣，時效性和效果都很優(yōu)秀。

	缺點：需要調(diào)參，參數(shù)的大小對濾波的效果影響較大。

	代碼如下：

	
//卡爾曼濾波
int KalmanFilter(int inData)
{
      static float prevData = 0;                                 //先前數(shù)值
      static float p = 10, q = 0.001, r = 0.001, kGain = 0;      // q控制誤差  r控制響應(yīng)速度 


      p = p + q;
      kGain = p / ( p + r );                                     //計算卡爾曼增益
      inData = prevData + ( kGain * ( inData - prevData ) );     //計算本次濾波估計值
      p = ( 1 - kGain ) * p;                                     //更新測量方差
      prevData = inData;
      return inData;                                             //返回濾波值
}

	

	VOFA+軟件的效果圖：

	

	結(jié)論：

	VOFA+顯示的波形圖開源看出卡爾曼濾波有一定的去噪穩(wěn)定特性的，雖然效果不是特別優(yōu)秀。

	卡爾曼濾波的普適性很強，尤其在控制與多傳感器融合方向，只要參數(shù)調(diào)整的好，效果出奇優(yōu)秀。

	五、實驗總結(jié)

	ADC作為嵌入式開發(fā)過程中必須掌握的外設(shè)，往往項目中是需要設(shè)置濾波器的。RC硬件濾波效果一般的話，可以用軟件來湊。同時濾波算法各式各樣，原理也各不相同，希望讀者朋友在實際的工程項目中，不要盲目的追求各種牛逼的濾波算法，其實適合該工程的濾波就是好濾波。

	來源：https://blog.csdn.net/black_sneak/article/details/129629485