基于单片机的非线性滤波器的设计与实现

第4 期 2 0 0 4 年8 月 微处理机 M I C R O P R O C E S S O R S 基于单片机的非线性滤波器的设计与实现 肖文书 王茹琪 张兴敢 南京大学电子科学与工程系 南京2 1 0 0 9 3 N o 4 A u g 2 0 0 4 摘要 在一些测控系统中 干扰信号会叠加到传感器和A D 变换器之间的模拟信号上 造成 数码管显示测试结果时频繁变化 读数困难 对A D 变换器输出数据低通滤波 虽然可以稳定显 示 但存在显示结果延时长和不能瞬间跳变的缺点 为此 本文用基于施密特原理的非线性滤波器 抑制干扰 滤波由测控系统中的单片机完成 仿真和实际运行均表明 非线性滤波方法有效地滤除 了干扰 数码管显示平稳 同时保留了该系统快速显示的能力 关键词 非线性滤波 干扰抑制 单片机 中图分类号 T P 2 7 4文献标识码 B文章编号 1 0 0 2 2 2 7 9 2 0 0 4 0 4 0 0 5 2 一0 3 D e s i g na n dR e a l i z a t i o no fN o l i n e a rF i l t e rB a s e dO nS i n g l eC h i pC o m p u t e r X I A OW e n s h u W A N GR u q i Z H A N GX i n g g a n D e p a r t m e n to fE l e c t r o n i c sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g N a n j i n gU n i v e r s i t y N a n j i n g2 1 0 0 9 3 C h i n a A b s t r a c t I ns o m ec o n t r o ls y s t e m t h ei n t e r f a c es i g n a l si st ob ea d d e dt ot h ea n a l o gs i g n a l sb e t w e e nt h e A D Ca n dt h es e n s o r S Ot h eL E Dw i l lb ef l i c k e r i n g t h e ni ti sd i f f i c u l tt oc a t c ht h er e s u l tw h i c hi s b e e ns h o w n A st ot h eL P F a l t h o u g hi tc a ns t a b i l i z et h eL E D i th a st w od i s a d v a n t a g e s o n ei 8 t h a ti tc a n n o tr e f r e s ht h eL E Dq u i c k l y a n da n o t h e ri st h a tt h ed e l a yi sl o n g S ob a s e do nt h e t h e o r yo fS c h m i t tt r i g g e r t h en o l i n e a rf i l t e ri sd e s i g n e d a n di th a sb e e nr e a l i z e do nt h es i n g l e c h i pc o m p u t e r B o t ht h es i m u l a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h en o l i n e a rf i l t e rd e s i g n e di n t h i sp a p e rc a nf i l t e rt h em o s to ft h en o i s e a n dt h e nt h eL E Dh a sb e e ns t a b i l i z e d t h eL E Dc a na l s o b er e f r e s h e dq u i c k l y K e yw o r d s N o l i n e a rF i l t e r I n t e r f a c es u p p r e s s i o n S i n g l ec h i pc o m p u t e r 1 引盲 目前的一些测控系统中均包含传感器 A D 变 换器 数据处理单元 数据显示等几个部分 干扰信 号会叠加到传感器和A D 变换器之间的模拟信号 上 造成数码管显示测试结果频繁变化 读数困难 为改善显示效果 对A D 变换后的数据进行滤波处 理 低通滤波器虽可以稳定显示结果 但低通滤波器 存在显示结果延时长和不能瞬间跳变的缺点 本文 结合液压动力钳扭矩测控系统完成了非线性干扰抑 制滤波器的研制 液压动力钳扭矩测控系统由扭矩传感器 A D 变换器 数据处理单元 上扣执行单元和工作状态显 示单元 以及打印机等组成 液压动力钳扭矩的扭矩 与扭矩传感器输出电压成线性关系 在运行过程中 从执行单元上扣开始 液压动力扭矩开始增加 同时 通过数码管实时显示扭矩以及转数 液压动力扭矩 在一定的时间内 如1 分钟 上升到设定值后 执行 单元释放上扣扭矩 液压动力扭矩瞬间回到0 由于 液压动力钳扭矩测控系统受到干扰 导致显示结果 混乱 为此 本文提出了基于施密特原理的非线性干 扰抑制的方法 该滤波器有效地抑制了液压动力钳 扭矩测控系统中的干扰信号 同时保留了该系统快 速反应的能力 取得了良好的效果 2 杂波对测控系统显示结果的影响 液压动力钳扭矩在系统运行过程中随时间线性 变化 在液压动力钳扭矩测控系统中 液压动力钳扭 矩与时间的关系体现在采样得到的电压值与时间的 关系 液压动力钳扭矩测控系统中 液压动力钳扭矩 有三个量程 分别为8 0 0 0 牛 米 1 6 0 0 0 牛 米 8 0 0 0 0 牛 米 不失一般性 本文只分析8 0 0 0 牛 米量程 当液压动力钳扭矩测控系统的量程为8 0 0 0 牛 米时 采样到的电压值在1 5 伏范围内 数码 管显示液压动力钳扭矩 电压为1 伏时 液压动力钳 扭矩为0 牛 米 电压为5 伏时 液压动力钳扭矩为 基金项目t 该论文由南瑞一继保论文基金资助 睁塞书 1 9 7 7 男 湖南沅江人 硕士研究生 主要从事t 噪声抑嗣 数字信号处理等方面的研究 收稿日期l2 0 0 3 1 0 2 0 万方数据 肖文书等 基于单片机的非线性滤波器的设计与实现 8 0 0 0 牛 米 量化后液压动力钳扭矩与时间的关 系 如图1 所示 图1 液压动力钳扭矩采样值与时间的关系 为了研究液压动力扭矩变化的细节 图1 只给 出了最后一部分测量周期中的采样值 图1 中台阶 的值 是液压动力钳扭矩的量化值 也是数码管显示 的值 每个台阶有1 3 个左右的相同采样值的采样样 本 8 位A D 变换器的采样频率为5 8 5 H z 即数码 管每隔0 2 7 s 更新显示数据 实际测量过程中传感 器到A D 变换器之间存在干扰 A D 变换器输出 数据将叠加有大量杂波 如图2 所示 如果把图2 所 示的信号通过数码管显示 结果是闪烁频繁 读数不 便 图2 有杂波时液压动力钳扭矩采样值与时间关系 3 用低通滤波器抑制杂波 为了滤除噪声 将图2 所示信号通过低通滤波 器 滤波器的设计原则为兼顾杂波抑制效果和减少 信号延时 由此 可以采用6 阶B u t t e r w o r t h 低通滤 波器叭引 该低通滤波参数如下 通带截止频率 4 1 9 H z 阻带下限截止频率 7 3 1 H z 采样频率 5 8 5 H z 通带允许最大衰减 3 d B 阻带应达到的最小衰演O d B 通过仿真计算得到滤波器的传递函数为 其中 口o 1 口1 一3 0 3 3 2 n 2 4 2 6 2 4 a 3 一3 3 9 2 6 n t 1 5 9 1 9 口5 一0 4 1 3 2 a 6 0 0 4 6 6 0 0 0 0 1 b 1 0 0 0 5 8 b 2 0 0 1 4 4 b 3 0 0 1 9 2 6 4 0 0 1 4 4 6 5 0 0 0 5 8 6 6 0 0 0 1 滤波结果如图3 所示 7 7 O O2 03 0 O1 0 口70 图3 低通滤波结果 展开图3 中6 0 m s 前后的波形如图4 所示 d m 图4 低通滤波6 0 m s 的波形图 由图4 可以看出 液压动力钳扭矩值达到峰值 后 滤波器输出结果无法瞬间回到0 需要经过一个 过渡过程 该过程持续0 4 3 s 左右 并且过渡过程中 存在波动 使得液压动力钳扭矩显示结果不能突变 展开图3 中5 5 m s 一6 0 5 m s 之间的波形 如图 5 所示 图5 低通滤波5 0 r e s 一6 0 5 m s 的波形图 由图4 5 可以看出 低通滤波器能大大消除 数码管闪烁 但仍存在少数闪烁点 采样数据通过 低通滤波器 存在一定的延时 导致显示结果落后实 际液压动力扭矩较长一段时间 采用施密特非线性 滤波器 能较好地解决这个问题 4 非线性滤波器设计与实现 本文采用具有施密特特性的非线性滤波器抑制 杂波 如果某次采样数据比前一次采样数据小 则对 新的采样数据不予理会 仍然显示上一次采样数据 所对应的液压动力钳扭矩值 但是连续出现三点以 上采样数据下降 认为采样数据是真实的下降 而不 是噪声干扰造成的 如果新的数据比前一次采样数 万方数据 5 4 微处理机 据大 则显示新的采样数据对应的液压动力钳扭矩 值 该过程类似施密特触发器处理过程 称之为施密 特滤波 4 设采样到的N 点离散的液压动力钳扭矩为 Y Y y N 对应的时间值为 X X X N m 为采样数据连续下降的次数 施密特非线性滤波 算法的具体步骤为 q i 一1 y 不变 m 一0 i i 1 如果 掣 0 则Y r 保持不变 m 一0 否则转 山l山i 1 下一步 如果优 2 则令Y f Y l 1 l m 1 否 则Y i 保持不变 m m 1 如果i N 则转5 否 则转2 输出结果 对图2 中的数据 施密特滤波后 结果如图6 所 示 综合图1 图5 图6 可知 采样数据通过施密 特滤波后 虽仍有极少数点闪烁 但大部分噪声被滤 除 数码管显示比较稳定 反映迅速 不存在延时 实时性比较好 施密特滤波后的液压动力钳扭矩 达到设定值后 需要延迟0 0 5 s 后才能回到零 这是 由于在施密特滤波时 只有连续三点下降 系统才认 为是真实的下降 通过系统实际运行也表明施密特 滤波器在该系统中效果良好 5 l H 1 5 9 5 O 帅 图6 施密特滤波结果 依据上述施密特滤波算法 在液压动力钳测控 系统的控制程序中加入滤波程序 其M C S 一5 1 系 列单片机汇编代码如下 2 0 0 4 年 r e s e t c l r 计数器清零 p d l m o va 7 8 h 取新数据 s u b ba7 9 h 新数据是否比老数据小 j Cp d 3 是 则跳至p d 3 a j m pp d 2 否 则跳至p d 2 p d 2 c l cc o u n t 计算器清零 m o v1 9 h 7 8 h 显示新数据 m o v7 9 h 7 8 h 存新数据 a j m pd c b a 跳转 p d 3 i n cc o u n t s u b b3 c o u n t j cp c d 2 m o v1 9 h 7 9 h 仍然显示老数据 a j m pd c b a 跳转 d c b a m o va 1 9 h 取显示内容 s u b ba 5 1 d 是否小于1 V j n cr e r e 否 则跳至r e r e m o v1 9 h 5 1 d 小于1 V 当作1 V 处理 r e r e M O VA 1 9 H 5 结论 本文提出用具有施密特特性的非线性滤波取代 低通滤波器 仿真表明 施密特滤波器克服了低通滤 波器输出数据存在延时和不能瞬间突变等问题 施 密特滤波器有效地抑制了杂波 稳定了数码管显示 结果 该方法已经用于液压动力钳扭矩测控系统 参考文献 1 3 胡广书 数字信号处理一理论 算法与实现 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 1 6 1 1 0 2 2 陈亚勇 M a t l a b 信号处理详解 M 北京 人民邮电出 版社 2 0 0 1 3 李朝青 单片机原理及借I m l 技术 M 北京 北京航空 航天大学出版社 1 9 9 8 4 李元 数字电路与逻辑设计 M 南京 南京大学出版 社 1 9 9 8 1 4 5 1 4 8 上接第5 1 页 I 图5 实际制作逆变器的输出 系统采用了P h i l i p sP 8 7 L P C 7 6 9 单片机 利用 其D A 和A D 功能 及一些I O 口 对系统进行了 适当的控制 实现了标准正弦输出 参考文献 1 黄敏超 徐德鸿 林渭勋 全桥双向电流高频链逆变器 口 电力电子技术 1 9 9 9 3 4 1 5 7 2 李伟 龚春英 严仰光 推挽双向电流源高频链逆变器 J 电力电子技术 2 0 0 1 3 6 6 1 9 2 2 3 周航慈 周立功 朱曼 饶运涛 P h i l i p s5 1 L P C 系列单 片机原理及应用设计 M 北京 北京航空航天大学出 版社 2 0 0 1 4 E s p e l a g e n d u s t r yPM B o s eBK H i g h f r e q u e n c y L i n kP o w e rC o n v e r s i o n J I E E ET r a n so nI A 1 9 9 7 1 3 5 3 8 8 3 9 4 万方数据 基于单片机的非线性滤波器的设计与实现基于单片机的非线性滤波器的设计与实现 作者 肖文书 王茹琪 张兴敢 作者单位 南京大学电子科学与工程系 南京 210093 刊名 微处理机 英文刊名 MICROPROCESSORS 年 卷 期 2004 25 4 引用次数 0次 参考文献 4条 参考文献 4条 1 胡广书 数字信号处理 理论 算法及实现 2001 2 陈亚勇 Matlab信号处理详解 2001 3 李朝青 单片机原理及借口技术 1998 4 李元 数字电路与逻辑设计 1998 相似文献 10条 相似文献 10条 1 学位论文 孙丽萍 扩频通信中干扰抑制的非线性方法与多用户盲干扰抑制技术 2003 扩频通信的干扰抑制技术无论在军事领域还是民事领域 一直是人们研究的热点 直接序列扩频 DSSS 系统中的抗窄带干扰技术有很多 包括自适 应陷波器 自适应模数转换 A D Conversion 非线性自适应滤波技术 时频分析方法 基于循环平稳的方法以及基于子空间的方法等 码分多址 CDMA 中抗多址干扰的方法有单用户检测技术和多用户检测技术 在多用户检测技术中又有盲多用户检测技术 即盲干扰抑制技术 本文在分析了扩频 通信中所有抗窄带干扰和宽带干扰技术的基础上 把重点放在了抑制窄带干扰的非线性滤波技术和子空间分解技术 抑制宽带干扰的多用户检测技术上 提出几种干扰抑制的快速收敛算法和盲算法 本文首先介绍了非线性预测滤波器和非线性插值滤波器的发展和各种性能 然后理论上分析了在单 音干扰和高斯自回归干扰下 这两种非线性滤波器的信噪比改善情况 推导出了单音干扰和AR形式干扰时的非线性预测滤波器和非线性插值滤波器SNR改 善的近似闭合表达式 从数值上同线性滤波器进行了比较 2 学位论文 王小敏 非线性动力学滤波器设计及其在信息安全中的应用研究 2007 本文主要研究安全混沌模型及其在信息安全中的应用 包括以下三个方面 一是总结了面向密码设计的安全混沌模型准则并分析和设计了几个具体 的安全混沌模型 二是研究了基于这些安全混沌模型的几种密码设计方案 三是讨论了安全混沌模型在混沌保密通信中的应用 具体工作如下 1 对数字混沌密码的研究现状进行了系统的归类 分析了其中存在的三个共性问题 针对第二个共性问题 总结了面向密码设计的安全混沌模型准则 2 遵循安全混沌模型准则 在非线性数字滤波器的基础上分析了一个具体的安全混沌模型一非线性动力学滤波器 NDF 然后以NDF为基本单 元 将其分别扩展为前馈 反馈NDF安全混沌模型 FFNDF 和基于NDF的耦合映像格时空混沌模型 NDF CML 这三类模型具有不同的安全强度和复杂度 可 满足多种安全应用环境下的混沌密码设计的要求 3 基于FFNDF安全混沌模型 构造了一个带密钥的混沌Hash函数 FFNDF KHF 该算法采用M D迭代结构 单向压缩函数由多比特复合序列控制的FFNDF子系统的随机切换和迭代构成 通过引入外部密钥扩展 解决了混沌KHF中广泛存在的密钥对碰 撞攻击的问题 安全分析表明 FFNDF KHF克服了混沌Hash函数设计中已知的安全缺陷 具有较高的安全性 4 从测度熵准则和NDF的并行性出 发 设计了一个高效的混沌密钥流发生器 NDF CKG 该发生器融合了非线性反馈 非线性前馈和钟控设计思想 能有效克服混沌密钥流发生器中普遍存 在的低信息冗余和高比特速度的矛盾 研究表明 NDF CKG具有高安全性 低成本和高速度的特点 可作为流密码设计中的核心组件 5 利用 NDF CML和数字图像的二维结构特点 设计了一个基于NDF CML时空混沌和Feistel结构的数字图像加密算法 算法在轮密钥控制下交替执行基于NDF CML掩码的灰度替代 洗牌算法的像素置乱以及灰度扩散三种操作 利用NlDF CML的高度混淆特性 洗牌算法的非线性性和Feistel结构的乘积密码特性 算法可以抵抗对置乱 替代 扩散这种典型混沌图像加密结构的攻击 进一步的性能测试和安全分析表明 算法具有大的密钥空间 对密钥和明文均十 分敏感 对多种攻击手段具有较好的免疫性 6 提出了基于NDF的CSK数字保密扩频通信方案 NDF CSK 方案中给出了一种CSK方式的扩频调制 算法及相应的近似ML解调算法 通过对CSK方式下的几种典型攻击进行分析 表明NDF CSK比一般的CSK方案更安全 针对混沌保密通信中的噪声和干扰问 题 理论分析了上述NDF CSK方案的抗噪性能和抗干扰性能 并考察了宽带调频类干扰环境下基于FRFT的干扰抑制算法对系统误码性能的影响 通过对 4种FRFT干扰抑制算法的分析和实验仿真 总结出各自的适应性范围 并最终得到了基于FRFT的干扰对消算法对抑制混沌通信中的调频类干扰是有效的结 论 3 期刊论文 杨莘元 刘楠 YANG Shen yuan LIU Nan 自适应非线性滤波技术在导航接收机的应用 哈尔滨工程大学 学报2007 28 6 针对典型海域干扰噪声表现为大气噪声和随机窄带干扰叠加的特点 提出了直接序列扩频体制的无线电导航接收机中窄带干扰抑制的方法 即在解扩 前通过自适应非线性滤波技术来预测干扰信号的频率 从而衰减窄带干扰 将近似条件均值滤波函数应用于自适应非线性滤波的干扰预测中 描述了该系统 的状态空间模型并对导航接收机输出信噪比进行计算 计算机仿真对比表明 该方法比传统的扩频接收机更优 不仅提高了导航接收机的输出信噪比 而且 提高了系统的稳定性 4 期刊论文 卢树军 王世练 张尔扬 LU Shu jun WANG Shi lian ZHANG Er yang DS MSK数字化接收机的自适应抗 干扰滤波仿真 计算机仿真2005 22 11 为在直接序列扩频 最小频移键控 DS MSK 数字化接收机中设计和实现抗干扰模块 分析了过采样条件下DS MSK信号的最小均方误差 MMSE 最优滤波 问题 考虑到最优滤波难于直接实现 讨论了用自适应抗干扰滤波 AAJF 来逼近MMSE最优滤波性能 传统的非线性滤波往往假设干扰估计误差功率远小于码 片功率 这一条件在工程实现中很难满足 相应的抗干扰性能难以达到 为此 对非线性滤波加以改进 提出了部分解扩非线性滤波 PDNF 蒙特卡罗仿真表 明 PDNF滤波性能明显优于传统非线性滤波 接近MMSE最优滤波性能 5 期刊论文 何振亚 孟志浩 何世春 He Zhenya Meng Zhihao He Shichun 直接序列扩频通信中干扰抑制的进化规 划自适应非线性滤波技术 通信学报1998 3 进化规划 Evolutionary Programming 是模拟生物界自然选择和变异机制的一种随机并行搜索优化算法 本文提出了应用于直接序列扩频通通信中窄 带干扰抑制的基于进化规划的自适应非线性滤波技术 并与传统的自适应非线性滤波技术进行了比较 结果表明本文算法更优 不仅实现了自适应非线性滤 波的全局寻优和快速收敛 而且提高了系统的稳定性 尤其对于极点靠近单位圆的AR模型信号干扰 滤波性能有较大的提高 6 会议论文 卢树军 徐洋 张尔扬 一种新的扩频通信自适应抗干扰滤波方案 2006 为在直接序列扩频 最小频移键控 DS MSK 数字化接收机中设计和实现抗干扰模块 分析了存在干扰条件下DS MSK信号的最小均方误差 MMSE 最优滤 波问题 考虑到最优滤波难于直接实现 讨论了用自适应抗干扰滤波 AAJF 来逼近MMSE最优滤波性能 对非线性滤波加以改进 提出了部分解扩非线性滤波 PDNF 蒙特卡罗仿真表明 PDNF滤波性能明显优于传统非线性滤波 接近MMSE最优滤波性能 7 学位论文 张平华 基于小波包变换的直扩通信窄带干扰抑制技术的研究 2006 扩频技术因其本身固有的干扰抑制特性得到了迅速的发展 其中直接序列扩频通信 DirectSequenceSpreadSpectrum DSSS 系统是典型的扩频通信 系统之一 DSSS系统的抗干扰能力由扩频处理增益决定 可以通过增加带宽来增加扩频增益 但是实际中由于带宽和技术方面的限制扩频增益总是有限 的 窄带干扰 Narrow BandInterference NBI 由于其功率谱密度比宽带干扰高得多 所以它对DSSS系统的破坏性更强 当有强窄带干扰存在时仅靠系 统自身的抗干扰能力很难保证系统高质量的通信 甚至可能造成系统通信中断 因此 研究有效的窄带干扰抑制技术具有重大的实际意义 论文 首先分析了时域线性滤波技术 时域非线性滤波技术和频域变换滤波技术 这些传统的滤波方法在抑制窄带干扰方面都存在一定的限制和缺陷 小波包 变换 Wavelet packetTransform WPT 具有多分辨分析能力和良好的时频局部化特性 能有效地跟踪输入信号的频谱变化 迅速把干扰定位在一定的频 域范围 因此将小波包变换应用于干扰抑制的研究引发了人们的兴趣 论文在对传统的干扰抑制方法进行比较和总结后 给出了一种改进的基于 ATF AdaptiveTime frequency 的自适应时频干扰抑制方法 研究了用ATF实现直扩通信系统中输入信号的分解 分析了该算法抵消窄带干扰的机理 对 原有算法进行了优化并给出了相应的自适应去干扰算法 采用自适应滤波技术取代子带剔除法 自适应地跟踪窄带干扰 改善了有用信号的丢弃情况 有效地抑制了窄带干扰 分析和仿真结果表明 基于ATF算法的自适应小波包时频干扰抑制方法比传统的子带剔除法在性能上更为优越 干扰定位速度 也较快 干扰抑制能力强 8 会议论文 孟志浩 何世春 扩频通信中干扰抑制的进化规划滤波技术 1997 进化规划 是模拟生物界自然选择和变异机制的一种随机并行优化搜索算法 该文研究了基 于进化规划的自适应非线性滤波在直扩通信系统中抑制窄带干扰的应用 并与改进的抽头更新算法进行了比较 结果表明该文算法更优 不但实现了滤 波的全局寻优和快速收敛 而且提高了系统的稳定性 尤其对于极点靠近单位圆的 模型信号干扰 滤波性能有明显提高 9 学位论文 刘学刚 基于DSSS通信系统的窄带干扰抑制技术的研究及实现 2004 论文分析了时域线性滤波技术 时域非线性滤波技术 频域变换滤波技术和小波包变换滤波技术 这些传统的滤波方法在抑制窄带干扰方面都存在一 定的限制和缺陷 时域自适应滤波一般采用最小均方 Least Mean Square LMS 或递归最小二乘 Recursive Least Squares RLS 算法 对于高速处理的场 合算法很难在规定时间完成迭代运算 而且存在收敛时间的问题 对于快变的干扰很难实时快速跟踪 频域变换滤波由于存在时域 截断 效应 使得其对应 频谱具有大的旁瓣 导致很难彻底将干扰去除 小波包变换抑制干扰计算量非常大 实现实时运算比较困难 论文在对传统的干扰抑制方法进行比较和总结 后 提出了一种新颖的DFT变换与时域陷波技术结合的自适应干扰抑制技术方案 这种干扰抑制方案 首先对数据进行频谱分析 并根据分析结果的统计特性 计算干扰门限 然后将信号与干扰门限比较来判定窄带干扰的存在情况 如干扰频率 带宽等参数 干扰参数确定后 再由DSP控制单元控制陷波器