CN107704192A - 一种滤波算法及其探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤波算法及其探测器，滤波算法包括：步骤A、模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；步骤B、中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：当测量值在显示值的预设范围内时，执行步骤C；当测量值在显示值的预设范围外时，执行步骤D；步骤C、若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算；步骤D、判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算。本发明的显示值按步进增减，使显示结果变化平滑，抗干扰性能强。

Description

一种滤波算法及其探测器

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，特别涉及一种滤波算法及其探测器。

背景技术

现有的仪器仪表领域，要求仪器具有抗干扰性强、数值呈连续变化、响应速度快、算法灵活性等特点。现有仪器对传感器信号的采集加工处理方法通常为：多次采样后去掉这些采样值中的最大值和最小值，对剩下的采样值求平均值，即可实现对采集信号的滤波。该方法虽然在一定程度上能对信号起到滤波平滑的作用，但计算出来的平均值会出现显示不连续、跳变比较大、波形不平滑的缺点；不能满足现有对仪器的要求。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种滤波算法及其探测器，以解决现有仪器对传感器信号的处理会出现显示不连续、跳变较大、波形不平滑的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种滤波算法，其包括：

步骤A、模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；

步骤B、中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：当测量值在显示值的预设范围内时，执行步骤C；当测量值在显示值的预设范围外时，执行步骤D；

步骤C、若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算；

步骤D、判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算。

所述的滤波算法中，在所述步骤A中，每隔预设毫秒或微秒采集一个数据；

进行平均值计算时，删除预设个数据中的最大值和最小值，对剩下的数据取平均值，该平均值即为测量值。

所述的滤波算法中，在所述步骤B中，所述测量值在显示值的预设范围内，即测量值与显示值的差的绝对值小于预设值；所述测量值在显示值的预设范围外，即测量值与显示值的差的绝对值大于预设值。

所述的滤波算法中，所述步骤C具体包括：

步骤C1、比较测量值与显示值的大小；当测量值小于显示值时，令第一计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤C2；当测量值大于显示值时，令第二计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤C3；

步骤C2、判断第一计数器的计数值是否大于阈值：是则将显示值减去步进值并将第一计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A；

步骤C3、判断第二计数器的计数值是否大于阈值：是则将显示值加上步进值并将第二计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A。

所述的滤波算法中，所述步骤D具体包括：

步骤D1、比较测量值与显示值的大小；当测量值小于显示值时，令第三计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤D2；当测量值大于显示值时，令第四计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤D3；

步骤D2、判断第三计数器的计数值是否大于阈值：是则令显示值等于测量值并将第三计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A；

步骤D3、判断第四计数器的计数值是否大于阈值：是则令显示值等于测量值并将第四计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A。

所述的滤波算法中，所述步骤B还包括：当测量值等于所述显示值时，将各计数器清零，令显示值等于测量值并显示；返回步骤A。

一种实现所述的滤波算法的探测器，其包括模数转换器和中央处理器；

所述模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；所述中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：

当测量值在显示值的预设范围内时，若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并进行下一个采样周期的计算；

当测量值在显示值的预设范围外时，判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并进行下一个采样周期的计算。

相较于现有技术，本发明提供的滤波算法及其探测器，滤波算法包括：步骤A、模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；步骤B、中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：当测量值在显示值的预设范围内时，执行步骤C；当测量值在显示值的预设范围外时，执行步骤D；步骤C、若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算；步骤D、判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算。当测量值在显示值的预设范围内时，显示值按步进增减，使显示结果看起来变化很平滑，从而解决了数据跳动大的问题，抗干扰性能强。当测量值在显示值的预设范围外且连续预设次都大于或小于显示值时，直接显示该显示值，可避免干扰导致采样的数据突变使波形出现毛刺，还能及时显示出数值的突变情况，确保突变值的正确性。

附图说明

图1为本发明提供的滤波算法流程图。

图2为本发明提供的滤波算法的应用实施例的流程图。

图3为本发明提供的探测器的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种滤波算法及其探测器，适用于仪器仪表、气体探测器、便携式气体检测仪等仪器的信号处理；将计算值与显示值进行比较，根据比较结果调整显示值，使显示值连续显示、跳变很小且数据平滑。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1和图2，本发明提供的探测器的滤波算法包括：

S100、模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；

S200、中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：当测量值在显示值的预设范围内时，执行步骤S300；当测量值在显示值的预设范围外时，执行步骤S400；

S300、若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算；

S400、判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算。

程序（如采集显示程序）开始后，探测器内的模数转换器进行持续的采集，基于数据很多，有些数据是相同的或变化较小，为了减少系统的运行和数据存储，本实施例对一个采样周期内的预设个数据通过上述滤波算法进行处理，得到测量值并与显示值比较。若测量值在一个较小范围内波动，即测量值在显示值的预设范围内（测量值与显示值的差的绝对值小于预设值）时，使显示值按最小步进逐步变化，之后返回步骤S100对下一个采样周期进行相同的处理，对下一个采样周期采集的预设个数据进行计算得到新的测量值，将新的测量值与当前的显示值再次比较；每个采样周期都处理后即可使显示结果的波形看起来很平滑，解决了数据跳动大的问题，提高了抗干扰。若测量值变化较大，即测量值在显示值的预设范围外（差的绝对值大于预设值）时，在连续多次都大于预设值时，直接显示该测量值；之后返回步骤S100对下一个采样周期进行相同处理。这样可避免干扰导致采样的数据突变使波形出现毛刺，还能及时显示出数值的突变情况，确保突变值的正确性。

在所述步骤S100中，模数转换器在采样周期内，每隔预设毫秒或微秒采集一个数据，根据采样周期的时间和每个数据的采集点，每个采样周期内都会采集到个数既定（即预设个数据）的数据。进行平均值计算时，删除预设个数据中的最大值和最小值，对剩下的数据取平均值，该平均值即为本次采样周期的测量值。

本实施例得到测量值y后不会立即显示或存储，还需将测量值y与当前的显示值D进行比较，通过步骤S200~S500判断是否需对显示值D进行修改后再进行显示或存储等其它现有操作。

所述步骤S200中，显示值D初始设定为0。中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较，主要是判断测量值与显示值的差距有多大。若差距小，测量值在显示值的预设范围内，即测量值与显示值的差的绝对值小于预设值；反之，若差距大，则测量值在显示值的预设范围外，即所述差的绝对值大于预设值。

测量值y与所述显示值D的差的绝对值小于预设值k，即测量值y在以显示值D为中心的一个较小范围（预设范围）内变化（此时y≠D）。此时测量值y可能小于显示值D，也可能大于显示值D，则所述步骤S300具体包括：

步骤310、比较测量值与显示值的大小；当测量值小于显示值时，令第一计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤320；当测量值大于显示值时，令第二计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤330。

步骤320、判断第一计数器的计数值是否大于阈值：是则将显示值减去步进值并将第一计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤S100；否则返回步骤S100。

若测量值y小于显示值D（y<D），且y与D的差的绝对值小于设定的预设值k（|y-D|<k）时，表示测量值y比显示值小但变化不大，为了判断此情况是偶然出现还是数据确实在下降，需将第一计数器N1加1，同时对其余计数器（N2、N3、N4）的计数值清零。

若第一计数器N1的计数值大于阈值n（n为正整数），则说明连续多次y<D且|y-D|<k，实际采样的数据是在减小的且减小幅度很小，因此将显示值D减去步进值后显示。步进值表示显示值D的变化程度，为了使波形平滑，较佳地设置步进值为1，这样显示值的变化效果为10、9、8、7、6的递减方式；还可根据显示需求（如波形的平滑程度）将步进值设置为其他值，如5，此处对步进值的大小不作限定。在具体实施时，所述步进值还可根据显示屏的分辨率进行设置，如分辨率为0.5则步进值对应为0.5。若第一计数器的计数值小于或等于阈值n，则返回步骤S100对下一个采样周期进行处理，得到新的测量值y后再次比较。

步骤330、判断第二计数器的计数值是否大于阈值：是则将显示值加上步进值并将第二计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤S100；否则返回步骤S100。

若测量值y大于显示值D（y>D），且y与D的差的绝对值小于设定的预设值k（|y-D|<k）时，表示测量值y比显示值大但变化不大。与步骤320同理，将第二计数器N2加1，同时对其余计数器（N1、N3、N4）的计数值清零。

若第二计数器N2的计数值大于阈值n，则说明连续多次y>D且|y-D|<k，实际采样的数据是在增加的且增加幅度很小，因此将显示值D加1后显示。这样显示值的变化效果为0、1、2、3、4的递增方式。若第二计数器的计数值小于或等于阈值n，则返回步骤S100对下一个采样周期进行处理，得到新的测量值y后再次比较。

测量值y与所述显示值D的差的绝对值大于预设值k，即测量值y与显示值D的差距较大。此时测量值y可能比显示值D小很多，也可能比显示值D大很多，则所述步骤S400具体包括：

步骤410、比较测量值与显示值的大小；当测量值小于显示值时，令第三计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤420；当测量值大于显示值时，令第四计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤430。

步骤420、判断第三计数器的计数值是否大于阈值：是则令显示值等于测量值并将第三计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤S100；否则返回步骤S100。

若测量值y小于显示值D（y<D），且y与D的差的绝对值大于设定的预设值k（|y-D|>k）时，表示测量值y比显示值小很多，为了判断此情况是偶然出现还是数据确实在大幅度下降，需将第三计数器N3加1，同时对其余计数器（N1、N2、N4）的计数值清零。

若第三计数器N3的计数值大于阈值n，则说明连续多次y<D且|y-D|>k，实际采样的数据是在减小的且减小幅度很大，因此计算出的测量值y可以直接作为显示值D进行显示（D=y）。若第三计数器N3的计数值小于或等于阈值n，则返回步骤S100对下一个采样周期进行处理，得到新的测量值y后再次比较。

步骤430、判断第四计数器的计数值是否大于阈值：是则令显示值等于测量值并将第四计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤S100；否则返回步骤S100。

若测量值y大于显示值D（y>D），且y与D的差的绝对值大于设定的预设值k（|y-D|>k）时，表示测量值y比显示值大很多。与步骤420同理，将第四计数器N2加1，同时对其余计数器（N1、N2、N3）的计数值清零。

若第四计数器N4的计数值大于阈值n，则说明连续多次y>D且|y-D|>k，实际采样的数据是在增加的且增加幅度很大，因此计算出的测量值y可以直接作为显示值D进行显示（D=y）。若第四计数器N4的计数值小于或等于阈值n，则返回步骤S100对下一个采样周期进行处理，得到新的测量值y后再次比较。

另外，测量值与显示值的差的绝对值在预设范围内时，还包括一种特殊情况，即测量值等于所述显示值，即所述步骤S200还包括：当测量值y等于所述显示值D时，将各计数器清零，令显示值等于测量值并显示；返回步骤S100。在y=D时，直接将所有计数器N1~N4清零，然后返回步骤S100对下一个采样周期的测量值进行处理。需要理解的是，上述步骤S100~S400的循环过程在程序结束（如停止采样）时停止。

本实施例的改进点是：设置了两个常数（预设值k和阈值n，均为正整数），设置了四个计数器（N1、N2、N3、N4）。

根据预设值k可以判断测量值y与显示值D之间的差距大小。通过调整k的大小，可以调整滤波范围的大小，从而影响算法的响应速度。当预设值k的值与仪器的满量程相等时，则测量值y与显示值D的差的绝对值大于预设值k的情况就不会出现，则无步骤S400。此时只有|y-D|<k的情况，其为本滤波算法的一个变种。

根据阈值n可以判断采样的数据的变化是偶然出现还是真正的增大或减小。阈值n的大小直接影响算法的响应速度和抗干扰性能，n值越小算法响应速度越快抗干扰越差；反之算法响应速度越慢，抗干扰越好。

四个计数器N1、N2、N3、N4任一个在计数时，都会将其他的计数值清零。基于每个采样周期计算出的测量值可能大于、或小于、或等于当前的显示值，每次以测量值与显示值的大小比较来进行数据变化的判断，通过对其余计数器的清零，才能获得准确的测量值的连续变化情况，而不会受前次的影响。

基于上述的滤波算法，本发明实施例还提供一种用于实现滤波算法的探测器，请参阅图3，所述探测器包括模数转换器10和中央处理器（CPU） 20。所述模数转换器10在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器20中进行平均值计算，获得测量值；所述中央处理器20将测量值与当前的显示值进行比较。当测量值在显示值的预设范围内时，若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并进行下一个采样周期的计算。当测量值在显示值的预设范围外时，判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并进行下一个采样周期的计算。

以可燃气体的探测器为例，该探测器的量程为0~100%LEL，预设值k为20，阈值n为10；第一计数器N1、第二计数器N2、第三计数器N3、第四计数器N4、显示值D的初始值为0。程序一个循环（即步骤S100至S400）为10ms(毫秒)。

在洁净空气中，可燃气的浓度为0%LEL，上电预热完后，探测器开始采集传感器信号，通过步骤S100计算出的测量值y（此处叫浓度值）等于0，显示值D也为0。当往探测器通入可燃气（如10%LEL）时，通过模数转换器AD采样预设个数据，则计算出来的浓度值也跟着变化。

假设每个采样周期内计算出的浓度值分别为2、5、8、10...。这时显示值并非立即跟随2、5、8、10...进行相应变化，而是经过至少n次循环100ms才依次变化为0、1、2、3、4...，最后接近于计算出的测量值y。

假设当前的显示值D为10，浓度值由10变为0时，测量值y=0， |y-D|<k，经过连续大于n次比较后，第一计数器N1的值大于n，显示值减1，显示的变化效果为10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0。

假设显示值为0，浓度值突然变化到50时，经过多次比较，第三计数器N3大于n，此时显示的浓度值直接变化为50即可起到很好的响应，无需从0、1、2、3、... 、50这样按步进变化。

假设显示值为50，浓度在50左右频繁变化，相应的计数器还没加到n时，又被另一个计数器清掉。此时显示值一直稳定在50，起到很好的抗干扰作用。

通过上述滤波算法计算出来的结果不但数据平滑，而且抗干扰性很好，通过调整k和n增加了算法的灵活性。需要理解的是，所述显示值还可以替换为其它参数。还可增加报警功能，如显示值为大于上限值（浓度超过危险值）时进行声光报警。

综上所述，本发明提供的滤波算法通过将计算出的测量值与显示值比较，当测量值在显示值的预设范围内时，显示值按步进增减，使显示结果看起来变化很平滑，从而解决了数据跳动大的问题，抗干扰性能强。当测量值在显示值的预设范围外且连续预设次都大于或小于显示值时，直接显示该显示值，可避免干扰导致采样的数据突变使波形出现毛刺，还能及时显示出数值的突变情况，确保突变值的正确性。该滤波算法可调整滤波范围的大小、响应速度和抗干扰性能，增加了算法了灵活性。

上述功能模块的划分仅用以举例说明，在实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即划分成不同的功能模块，来完成上述描述的全部或部分功能。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种滤波算法，其特征在于，包括：

步骤A、模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；

步骤B、中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：当测量值在显示值的预设范围内时，执行步骤C；当测量值在显示值的预设范围外时，执行步骤D；

步骤C、若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算；

步骤D、判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并返回步骤A进行下一个采样周期的计算。

2.根据权利要求1所述的滤波算法，其特征在于，在所述步骤A中，每隔预设毫秒或微秒采集一个数据；

进行平均值计算时，删除预设个数据中的最大值和最小值，对剩下的数据取平均值，该平均值即为测量值。

3.根据权利要求1所述的滤波算法，其特征在于，在所述步骤B中，所述测量值在显示值的预设范围内，即测量值与显示值的差的绝对值小于预设值；所述测量值在显示值的预设范围外，即测量值与显示值的差的绝对值大于预设值。

4.根据权利要求3所述的滤波算法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

步骤C1、比较测量值与显示值的大小；当测量值小于显示值时，令第一计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤C2；当测量值大于显示值时，令第二计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤C3；

步骤C2、判断第一计数器的计数值是否大于阈值：是则将显示值减去步进值并将第一计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A；

步骤C3、判断第二计数器的计数值是否大于阈值：是则将显示值加上步进值并将第二计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A。

5.根据权利要求3所述的滤波算法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

步骤D1、比较测量值与显示值的大小；当测量值小于显示值时，令第三计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤D2；当测量值大于显示值时，令第四计数器加1，将其余计数器清零后执行步骤D3；

步骤D2、判断第三计数器的计数值是否大于阈值：是则令显示值等于测量值并将第三计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A；

步骤D3、判断第四计数器的计数值是否大于阈值：是则令显示值等于测量值并将第四计数器的计数值清零，显示该显示值并返回步骤A；否则返回步骤A。

6.根据权利要求4所述的滤波算法，其特征在于，所述步骤B还包括：当测量值等于所述显示值时，将各计数器清零，令显示值等于测量值并显示；返回步骤A。

7.一种实现权利要求1所述的滤波算法的探测器，其特征在于，包括模数转换器和中央处理器；

所述模数转换器在采样周期内采集预设个数据并传输至中央处理器中进行平均值计算，获得测量值；所述中央处理器将测量值与当前的显示值进行比较：

当测量值在显示值的预设范围内时，若测量值连续预设次大于显示值，按步进增加显示值；若测量值连续预设次小于显示值，按步进减小显示值；显示该显示值并进行下一个采样周期的计算；

当测量值在显示值的预设范围外时，判断测量值连续预设次大于或小于显示值时，显示该显示值并进行下一个采样周期的计算。