摘 要： 詳細(xì)討論了高斯濾波器在單片機(jī)系統(tǒng)中的快速實(shí)現(xiàn)方法，并給出了對(duì)于MCS——51系列單片機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)程序，介紹的方法在實(shí)時(shí)控制、信號(hào)檢測(cè)與處理方面有很大的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 濾波器 快速實(shí)現(xiàn) 單片機(jī) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)
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濾波器在信號(hào)處理、信號(hào)檢測(cè)、通信領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，對(duì)濾波器的性能和處理速度有非常嚴(yán)格的要求，特別是快速實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，處理速度至關(guān)重要。目前，為滿足快速處理的需要，用DSP技術(shù)是理想的選擇。但是，目前在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，大多是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，它不僅完成信號(hào)的采樣，還需完成信號(hào)的處理和控制等功能，如果單片機(jī)系統(tǒng)本身可以完成信號(hào)的快速處理任務(wù)，將非常方便，我們?cè)谝粋€(gè)用MCS－51單片機(jī)組成的強(qiáng)噪聲背景下的通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了高斯濾波器的快速實(shí)現(xiàn)，滿足了系統(tǒng)的需要。
1 算法原理
高斯濾波器是一個(gè)低通濾波器，其方程
，可以證明，高斯濾波器可用均值濾波器多次逼近，一般情況下，大于或等于三次逼近就可近似于高斯濾波器，所以，在設(shè)計(jì)高斯濾波器時(shí)，可以用設(shè)計(jì)均值濾波器逼近代替高斯濾波器。
式中n為當(dāng)前采樣點(diǎn)序號(hào)，N為窗口寬度，顯然均值濾波器實(shí)際上可由一次加法運(yùn)算，一次減法運(yùn)算和一次除法運(yùn)算完成，而與窗口的寬度無(wú)關(guān)，若取窗口寬度N＝2k，則除法運(yùn)算可用移位來(lái)取代。
(1)式中，兩邊同乘N可變?yōu)椋?BR> 
即為了避免除法運(yùn)算，我們可先采用累加機(jī)來(lái)代替均值，運(yùn)算結(jié)果，再除以No上述濾波器結(jié)構(gòu)可用圖1表示。
2 均值濾波器的MCS－51快速實(shí)現(xiàn)方法
對(duì)于穩(wěn)定信號(hào)，上述計(jì)算非常簡(jiǎn)單，它只需窗口在固定存儲(chǔ)器上滑動(dòng)即可，對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)，存儲(chǔ)器的內(nèi)容是隨時(shí)更新，相當(dāng)于信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)固定濾波器。
設(shè)采樣信號(hào)循環(huán)存儲(chǔ)在RAM addrl到addrn的存儲(chǔ)空間中，如圖2所示。
顯然，最新采樣值只需取代最早存放在RAM中的數(shù)據(jù)即可，而2式中的累加和實(shí)際上就是原累加和加上最新采樣值，減去最早采樣值。我們用一個(gè)數(shù)據(jù)指針指向當(dāng)前存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，為方便編程，把下一個(gè)單元的內(nèi)容作為最早采樣值，如圖2中n+1時(shí)刻的f(1)，這樣窗口寬度為n+1。
設(shè)R0為當(dāng)前數(shù)據(jù)指針，R7R6存放累加和，當(dāng)前采樣值在A中，則89C51的匯編實(shí)現(xiàn)程序?yàn)椋?BR> mov ＠R0,A,
INC R0
CJNE R0,#addrn,NEXT
mov R0,#addr0
NEXT: add A,R6
mov R6,A
mov A,R7
addc A, #00H
mov R7,A
CLR C
Mov A, R6
SUBB A, ＠R0
mov R6,A
mov A, R7
SUBB A, #00H
mov R7,A
設(shè)窗口寬度為N＝2k，上述累加和只需右移k位即為均值。
顯然，上述算法不管窗口大小如何，其速度都一樣快，所以，本算法對(duì)寬窗口濾波更為有效。
上面程序如采用89系列單片機(jī)，用24MHz晶振，只需幾個(gè)μs，如需速度更快，改用16位單片機(jī)，累加和在一個(gè)寄存器中，還可減少加法和減法的時(shí)間。
作者用上述方法在照明線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，對(duì)二值信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，由于窗口寬度小于256，累加和中只用一個(gè)字節(jié)，所以，處理時(shí)間只需5μs，令人非常滿意。
本文討論了高斯濾波器在單片機(jī)系統(tǒng)中的快速實(shí)現(xiàn)。這種方法，特別適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、控制系統(tǒng)中的濾波。實(shí)踐表明，這種方法具有很高的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。
參考文獻(xiàn)
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