CN106982043A - 用于控制滑动平均滤波器的操作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制滑动平均滤波器的操作的方法，该方法能够通过跟踪速度相对于输入值的变化的合理控制来优化应对突波噪声的能力。该方法包括：(a)设置稳定性参考值和对应的采样间隔的步骤；(b)输入测量数据的步骤；(c)通过应用基本采样间隔，使用在步骤(b)中输入的测量数据来计算第一滑动平均值的步骤；以及(d)如果第一滑动平均值等于或大于稳定性参考值，则通过应用对应于在步骤(a)中设置的稳定性参考值的采样间隔来计算测量数据的第二滑动平均值的步骤。

Description

用于控制滑动平均滤波器的操作的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制滑动平均滤波器的操作的方法，该方法能够通过跟踪速度相对于输入值变化的合理控制来优化应对突波噪声(surge noise)的能力。

背景技术

可以借助于换能器或传感器将随时间连续改变的信息(例如声音、光、温度、压力、位置等)转换为模拟电信号(电压或电流)。被配置为通过放大、检测和转换由此获得的模拟电信号的电压、电流、频率等来传递信息的电子电路被称为模拟电路。

这种模拟电路可能包含噪声。作为随机变化的外部信号，噪声由诸如原子的粒子的随机热振动产生。噪声主要由于使用设计不良的部件，用于远程传输的信号的重复辐射，外部电信号的引入等而产生。这样的噪声可以通过减小信号的不规则变化来降低原始信号的电平。

如果随机外部噪声被添加到模拟信号，则难以与原始信号区分开。这个问题可以通过适于处理这种困难的单独电路或算法来解决。

噪声滤波器通常用于阻挡噪声。作为一种噪声滤波器，滑动平均滤波器(movingaverage filter)在响应速度和阻挡噪声性能之间具有权衡关系。也就是说，滑动平均滤波器的较高响应速度提供较低的阻挡噪声性能。因此，为了提高阻挡噪声性能，需要降低响应速度。

因此，本发明提出了一种新颖的算法，其能够高效地控制滑动平均滤波器的响应速度和阻挡噪声性能。

发明内容

提出本发明是为了解决上述问题，并且本发明的一个方面是提供一种用于控制滑动平均滤波器的操作的方法，其能够通过跟踪速度相对于输入值变化的合理控制来优化应对突波噪声的能力。

本发明不限于上述方面，本领域技术人员通过以下描述将清楚地理解本发明的其它方面。通过结合附图对实施例的以下描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得清楚和更容易理解。应当理解，本发明的目的和优点可以通过在权利要求中阐述的特征及其组合来实现。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制滑动平均滤波器的操作以阻挡噪声的方法，包括：(a)设置稳定性参考值和对应的采样间隔的步骤；(b)输入测量数据的步骤；(c)通过应用基本采样间隔，使用在步骤(b)中输入的测量数据来计算第一滑动平均值的步骤；以及(d)如果第一滑动平均值等于或大于稳定性参考值，则通过应用对应于在步骤(a)中设置的稳定性参考值的采样间隔来计算针对测量数据的第二滑动平均值的步骤。

在一些实施例中，步骤(a)中设置的稳定性参考值可以包括两个或更多个不同的参考值，并且设置对应于两个或更多个不同参考值的两个或更多个不同采样间隔。

在一些实施例中，可以根据包括当前噪声情况的滤波环境来自动设置在步骤(a)中设置的稳定性参考值和采样间隔。

在一些实施例中，如果第二滑动平均值保持低于稳定性参考值超过指定的参考时间，则步骤(d)可以返回到步骤(c)。

根据本发明，可以有效地改变滑动平均滤波器的响应速度和阻挡噪声性能，以应对输入条件的变化。

此外，根据本发明，可以提供一种能够提供高响应速度和改进的阻挡噪声性能的滑动平均滤波器。

附图说明

图1是用于说明滑动平均值的含义和计算滑动平均值的过程的概念图。

图2A至图3B是用于说明传统滑动平均滤波器的操作过程的曲线图。

图4是用于说明根据本发明的一个实施例的用于控制滑动平均滤波器的操作的方法的流程图。

图5A和图5B是用于说明根据本发明的一个实施例的滑动平均滤波器的操作的过程的曲线图。

图6A和图6B是用于说明本发明实施例所应用到的滑动平均滤波器的响应速度的曲线图。

具体实施方式

通过下面结合附图的详细描述，上述目的、特征和优点将变得更加清楚。因此，本领域技术人员可以容易地理解和实践本发明的技术思想。在本发明的以下详细描述中，如果认为功能和/或构造可能不必要地模糊本发明的要点，则将省略对相关功能或构造的具体描述。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

图1是用于说明滑动平均值的含义和计算滑动平均值的过程的概念图。

滑动平均值意味着对某一数量(平均数量)的输入值的实时平均值。参照图1，在平均数量(1)被设置为4的情况下，为了计算滑动平均值，对每个采样点计算最近四个输入值的平均值。

滑动平均滤波器使用计算的滑动平均值来执行噪声滤波操作。也就是说，滑动平均滤波器具有以下算法，其通过平均数量(l)累积输入值并且在每个采样点输出累积输入值的和的平均值。换句话说，滑动平均滤波器具有通过AD转换器等将输入的模拟电信号转换成的AD转换值(数字值)作为输入，并且生成对应于AD转换值的输出值。这里，平均数量(l)被称为滑动平均滤波器值。因此，在图1中，滑动平均滤波器值为4。

下面的等式1是基于滑动平均滤波器使用滑动平均滤波器值(l)来计算输出值(滑动平均值)的滑动平均值计算等式。

[等式1]

输入滤波器输出值[n]＝(AD转换值[n]+AD转换值[n-1]+...AD转换值[n-l+1])/l

其中l表示平均数量，并且n>1。

根据由等式1表示的滑动平均值计算等式，可以通过将(l-1)个先前输入值与当前输入值(等式1中的AD转换值[n])相加，然后除以滑动平均滤波器值的总和(平均数量(l))而计算输出值。

图2A至图3B是用于说明传统滑动平均滤波器的操作过程的曲线图。在这些曲线图中，y轴表示诸如电压、权重等的测量数据，而x轴表示除以特定间隔单位的时间。例如，如果诸如电压、权重等的输入数据的测量周期为一秒，则x轴的标度单位可以表示一秒的时间，其可以表示为‘采样周期’。

具体地，图2A和图2B分别示出当输入值(由蓝色信号表示)从0瞬时改变到100时滑动平均滤波器值为100和50的情况下的输出值(由红色信号表示)，以及图3A和图3B分别示出在当8个采样间隔期间输入诸如突波噪声的外部电信号(由蓝色信号表示)时滑动平均滤波器值为100和50的情况下的输出值(由红色信号表示)。

首先，如图2A和图2B所示，当输入值从0瞬时改变为100时，随着滑动平均滤波器值变小，该变化的响应速度(跟踪速度)变得高。换句话说，如图2A所示，在滑动平均滤波器值为100的情况下，滤波器输出值为100，其等于几乎在120个采样点处的输入值，而在图2B中，在滑动平均滤波器值为50的情况下，滤波器输出值为100，其等于几乎在70个采样点处的输入值。也就是说，滑动平均滤波器的响应速度与滑动平均滤波器值成反比。

接下来，参考图3A和图3B，当在约8个采样间隔期间输入噪声时，如果滑动平均滤波器值为100(图3A)，则在约90至100个采样间隔期间输出值约为8，而如果滑动平均滤波器值为50(图3B)，在约40至50个采样间隔期间输出值约为16。

换句话说，当采用这种滑动平均滤波器的系统基于输出值10(例如，10v或10dB)来确定是否允许噪声等的误差时，在滑动平均滤波器值为100(图3A) 的情况下，不会出现问题，这是因为输出值在任何间隔中都不超过10。相反，在滑动平均滤波器值为50(图3B)的情况下，可能发生诸如系统关闭等的问题，这是因为在一些间隔中的输出值为16，其在误差范围之外。也就是说，滑动平均滤波器对突波噪声等的阻挡性能与滑动平均滤波器值成比例。

因此，由于较小的滑动平均滤波器值提供较低的阻挡噪声性能(尽管其提供滑动平均滤波器的较高响应速度)，所以难以确定适当的滑动平均滤波器值。因此，本发明提出了一种用于控制滑动平均滤波器的操作的方法，其能够提供高响应速度和高阻挡噪声性能。

图4是用于说明根据本发明的一个实施例的用于控制滑动平均滤波器的操作的方法的流程图。图5A和图5B是用于说明图4所示的滑动平均滤波器的操作过程的曲线图。

首先，参考图4，根据本发明的一个实施例的用于控制滑动平均滤波器的操作的方法包括：设置稳定性参考值和对应的滑动平均滤波器值的步骤S410、输入测量数据的步骤S420、通过应用基本滑动平均滤波器值来计算输出值的步骤S430、比较输出值和稳定性参考值的步骤S440以及如果在步骤S430中计算的输出值等于或大于稳定性参考值，则通过应用在步骤S410中设置的滑动平均滤波器值来计算输出值的步骤S450。

设置稳定性参考值和对应的滑动平均滤波器值的步骤S410是如果滑动平均滤波器的输出值等于或大于预定参考值则将基本滑动平均滤波器值调整为第一滑动平均滤波器值的步骤。也就是说，步骤S410是以下步骤：如果滑动平均滤波器输出了具有比正常时稳定的输出值的变化宽度更大的变化宽度的输出值，则进行设置使得滑动平均滤波器的输出值可以通过将滑动平均滤波器值设置为小于正常时的基本设置值而对输入值具有快速响应。因此，为了改变滑动平均滤波器的响应速度，稳定性参考值可以是考虑了根据系统设计标准等的噪声容许范围而设置的某个参考值，但不意味着特定数字或有限范围。

例如，图5A示出了设置为8的稳定性参考值，图5B示出了设置为16的稳定性参考值。即，图5A示出了基本滑动平均滤波器值为100，稳定性参考值为8，并且第一滑动平均滤波器值为50的情况，而图5B示出基本滑动平均滤波器值为100，稳定性基准值为16，并且第一滑动平均滤波器值为50的情况。在每个图中，y轴表示诸如电压、权重等的测量数据，x轴表示除以特定间隔单位的时间，如前所述。

接着，在测量数据输入步骤S420中，输入借由单独的测量仪器测量的诸如电压、权重等的测量数据。此后，在步骤S430中，滑动平均滤波器通过应用基本滑动平均滤波器值来计算输出值。

接下来，在步骤S440中，将输出值与稳定性基准值进行比较。作为比较的结果，如果输出值等于或大于稳定性参考值，则在步骤S450中，通过应用第一滑动平均滤波器值来计算输出值。重复步骤S430和S450，直到在测量数据输入步骤S420中不再输入数据为止。

参考图5A和图5B，当在测量数据输入步骤S420中输入突波噪声时，图5A的滑动平均滤波器首先使用基本滑动平均滤波器值100来计算输出值，然后，在输出值达到稳定性参考值8的时刻(P1)，使用第一滑动平均滤波器值50来计算输出值。此后，在输出值再次低于稳定性参考值8的时刻(P2)，滑动平均滤波器使用基本滑动平均滤波器值100来计算输出值。

此时，当滑动平均滤波器的输出值改变为小于稳定性参考值8时，仅当在特定参考采样间隔期间连续地计算小于稳定性参考值的输出值时，可以提供用于调整滑动平均滤波器值的附加配置。这里，可以通过来自系统管理员等的输入或优选地自动地根据系统环境等而实现特定参考采样间隔的设置。

接下来，图5B的滑动平均滤波器继续使用基本滑动平均滤波器值100来计算输出值。也就是说，由于输出值没有达到稳定性参考值16，所以图5B的滑动平均滤波器可以仅使用基本滑动平均滤波器值100来计算输出值，而不需要使用第一滑动平均滤波器值50来计算输出值。

例如，当系统被设计为确定基于输出值10(例如，10v或10dB)对于图5A和图5B的滑动平均滤波器是否允许噪声等时，图5A的滑动平均滤波器示出了在约15个采样间隔期间超过噪声可允许范围的输出值16，而图5B的滑动平均滤波器在整个采样间隔期间实现适当的噪声阻挡。

换句话说，对于与图3A和图3B所示的相同的输入信号，在图5A和图5B的滑动平均滤波器可以等效地稳定地执行噪声阻挡或者减小超过噪声可容许范围的间隔。

以这种方式，在根据本发明的实施例的用于控制滑动平均滤波器的操作的方法中，可以根据稳定性参考值的设置水平和对应的第一滑动平均滤波器值确定阻挡噪声性能。另外，稳定性基准值和对应的第一滑动平均滤波器值可以通过直接输入通过现场测试等从系统管理员确定的特定值来设置，但是更优选地可以根据系统安装环境、对应的噪声情况等自动设置。

在这种情况下，可以提供其中稳定性参考值和对应的第一滑动平均滤波器值随着噪声状况等的变化而改变的配置。此外，通过在附加的几个步骤中设置稳定性参考值以及对应的第二和第三滑动平均滤波器值，可以维持滑动平均滤波器的响应速度和阻挡噪声性能的最佳平衡状态。

也就是说，尽管在这些图中未示出，但通过设置不同于上述稳定性参考值的另一稳定性参考值，并指定与所设置的不同于第一滑动平均值的另一稳定性参考值相对应的第二滑动平均滤波器值，可以根据滑动平均滤波器的输出值的水平来应用各种滑动平均滤波器值。

图6A和图6B是用于说明应用本发明实施例的滑动平均滤波器的响应速度的曲线图。如图5A、图6A示出了基本滑动平均滤波器值为100，稳定性参考值为8，且第一滑动平均滤波器值为50的情况。图5B、图6B示出了基本滑动平均滤波器值为100，稳定性参考值为16，且第一滑动平均滤波器值为50的情况。

也就是说，参考图6A，在滑动平均滤波器的输出值达到稳定性参考值8的时刻(P1)，滑动平均滤波器值被改变为50，这示出较高的响应速度。参考图6B，在滑动平均滤波器的输出值达到稳定性参考值16的时刻(P2)，滑动平均滤波器值改变为50，这示出较高的响应速度。

因此，从图6A和图6B和图2A和图2B的曲线图之间的比较可以看出，对于传统滑动平均滤波器的操作，本发明的滑动平均滤波器操作控制方法可以大大增加滑动平均滤波器的响应速度。也就是说，当应用根据本发明实施例的滑动平均滤波器操作控制方法时，滑动平均滤波器的响应速度示出类似于滑动平均滤波器值为小(例如50)的情况的结果，并且滑动平均滤波器的阻挡噪声性能示出类似于滑动平均滤波器值为大(例如100)的情况的结果。

换句话说，本发明可以提供一种滑动平均滤波器，其能够提供高响应速度和改进的阻挡噪声性能。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。提供示例性实施例是为了说明本发明，而不是限制性的。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (4)

1.一种用于控制滑动平均滤波器的操作以阻挡噪声的方法，包括：

(a)设置稳定性参考值和对应的采样间隔的步骤；

(b)输入测量数据的步骤；

(c)通过应用基本采样间隔使用在所述步骤(b)中输入的测量数据来计算第一滑动平均值的步骤；和

(d)如果所述第一滑动平均值等于或大于所述稳定性参考值，则通过应用对应于在所述步骤(a)中设置的所述稳定性参考值的采样间隔来计算所述测量数据的第二滑动平均值的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤(a)中设置的所述稳定性参考值包括两个或更多个不同的参考值，并且设置了对应于所述两个或更多个不同参考值的两个或更多个不同的采样间隔。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据包括当前噪声情况的滤波环境，自动设置在所述步骤(a)中设置的所述稳定性参考值和所述采样间隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述第二滑动平均值保持低于所述稳定性参考值超过指定的参考时间，则所述步骤(d)返回到所述步骤(c)。