CN109446467B - 数字滤波方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字滤波方法及装置，其中，方法包括以下步骤：获取数字滤波的前一个输出值，并获取当前连续N个测量值的平均值；获取前一个输出值与平均值之间的差值的绝对值；根据绝对值对前一个输出值的权重、平均值的权重和N进行调整；根据调整后的前一个输出值的权重、平均值的权重和N获取数字滤波的当前输出值。该方法通过对滤波参数进行调整以满足不同使用需求，从而通过调整参数，可以得到各种效果的数字滤波算法，具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

Description

数字滤波方法及装置

技术领域

本发明涉及数字滤波算法技术领域，特别涉及一种数字滤波方法及装置。

背景技术

目前，数字式测量装置需要通过数字滤波算法进行修正样本以降低样本偏差，且要求缩短相应时间，其中，降低样本标准偏差的数字滤波算法一直处于不断的改进中，最简单的算法就是用连续滑差计算最新N个样本平均值来代替最新样本值。

然而，降低样本标准偏差和缩短响应时间始终是一对矛盾，相关技术的算法往往无法实现在大幅度降低样本标准偏差的同时，又能够实现样本突变时大幅缩短响应时间，无法适用于大部分数字式测量装置的要求，适用性较差，有待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种数字滤波方法，该方法具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

本发明的另一个目的在于提出一种数字滤波装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种数字滤波方法，包括以下步骤：获取数字滤波的前一个输出值，并获取当前连续N个测量值的平均值；获取所述前一个输出值与所述平均值之间的差值的绝对值；根据所述绝对值对所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N进行调整；根据调整后的所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N获取数字滤波的当前输出值。

本发明实施例的数字滤波方法，通过对滤波参数进行调整以满足不同使用需求，适用于所有需要降低样本标准偏差且响应时间自动动态可调的场合，适用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置，从而通过调整参数，可以得到各种效果的数字滤波算法，具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

另外，根据本发明上述实施例的数字滤波方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述绝对值对所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N进行调整，进一步包括：当所述绝对值大于预设阈值时，调高所述平均值的权重，并调低所述前一个输出值的权重，以及调低所述N；当所述绝对值小于所述预设阈值时，调低所述平均值的权重，并调高所述前一个输出值的权重，以及调高所述N；当所述绝对值等于所述预设阈值时，保持所述平均值的权重、所述前一个输出值的权重和所述N不变。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过以下公式获取数字滤波的当前输出值：所述当前输出值＝前一个输出值×权重+当前连续N个测量值平均值×(1-权重)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：根据K值调整所述权重和所述N，其中，K＝绝对值-K1，权重＝上一个权重-K2×K，N＝上一个N-K3×K，K1、K2和K3均为常数、正数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述当前连续N个测量值的平均值＝(当前P个测量值之和+第P+1个测量值×0.Q)/P.Q，其中，N＝P.Q。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种数字滤波装置，包括：第一获取模块，用于获取数字滤波的前一个输出值，并获取当前连续N个测量值的平均值；第二获取模块，用于获取所述前一个输出值与所述平均值之间的差值的绝对值；第一调整模块，用于根据所述绝对值对所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N进行调整；第三获取模块，用于根据调整后的所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N获取数字滤波的当前输出值。

本发明实施例的数字滤波装置，通过对滤波参数进行调整以满足不同使用需求，适用于所有需要降低样本标准偏差且响应时间自动动态可调的场合，适用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置，从而通过调整参数，可以得到各种效果的数字滤波算法，具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

另外，根据本发明上述实施例的数字滤波装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一调整模块进一步用于在所述绝对值大于预设阈值时，调高所述平均值的权重，并调低所述前一个输出值的权重，以及调低所述N；在所述绝对值小于所述预设阈值时，调低所述平均值的权重，并调高所述前一个输出值的权重，以及调高所述N；在所述绝对值等于所述预设阈值时，保持所述平均值的权重、所述前一个输出值的权重和所述N不变。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过以下公式获取数字滤波的当前输出值：所述当前输出值＝前一个输出值×权重+当前连续N个测量值平均值×(1-权重)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：第二调整模块，用于根据K值调整所述权重和所述N，其中，K＝绝对值-K1，权重＝上一个权重-K2×K，N＝上一个N-K3×K，K1、K2和K3均为常数、正数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述当前连续N个测量值的平均值＝(当前P个测量值之和+第P+1个测量值×0.Q)/P.Q，其中，N＝P.Q。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的数字滤波方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的数字滤波装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的数字滤波方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的数字滤波方法及装置。

图1是本发明一个实施例的数字滤波方法的流程图。

如图1所示，该数字滤波方法包括以下步骤：

在步骤S101中，获取数字滤波的前一个输出值，并获取当前连续N个测量值的平均值。

在步骤S102中，获取前一个输出值与平均值之间的差值的绝对值。

在步骤S103中，根据绝对值对前一个输出值的权重、平均值的权重和N进行调整。

可以理解的是，前一个输出值的权重、平均值的权重和N都随着数字滤波前一个输出和最新N个样本平均值之差的绝对值而变。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据绝对值对前一个输出值的权重、平均值的权重和N进行调整，进一步包括：当绝对值大于预设阈值时，调高平均值的权重，并调低前一个输出值的权重，以及调低N；当绝对值小于预设阈值时，调低平均值的权重，并调高前一个输出值的权重，以及调高N；当绝对值等于预设阈值时，保持平均值的权重、前一个输出值的权重和N不变。

可以理解的是，当该绝对值大于某阈值时，也就是样本突变，最新N个样本平均值的权重加大，数字滤波前一个输出值的权重减小，N变小；当该绝对值小于某阈值时，也就是样本变化不大，最新N个样本平均值的权重减小，数字滤波前一个输出值的权重加大，N变大；当该绝对值等于某阈值时，最新N个样本平均值和数字滤波前一个输出值的权重不变，N不变；最新N个样本平均值的权重的变化量正比于该绝对值与某阈值之差，数字滤波前一个输出值的权重和N的变化量反比于该绝对值与某阀值之差。

在步骤S104中，根据调整后的前一个输出值的权重、平均值的权重和N获取数字滤波的当前输出值。

可以理解的是，数字滤波当前输出值等于数字滤波前一个输出值和最新N个样本平均值的加权之和。

下面通过具体实施例的方式对数字滤波方法进行进一步阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当前连续N个测量值的平均值＝(当前P个测量值之和+第P+1个测量值×0.Q)/P.Q，其中，N＝P.Q。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：根据K值调整权重和N，其中，K＝绝对值-K1，权重＝上一个权重-K2×K，N＝上一个N-K3×K，K1、K2和K3均为常数、正数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过以下公式获取数字滤波的当前输出值：当前输出值＝前一个输出值×权重+当前连续N个测量值平均值×(1-权重)。

举例而言，假设：数字滤波前一个输出值和最新N个样本平均值权重的最小值均为a，1>a>0；测量装置相邻两次测量的时间间隔为T，最短响应时间为N1×T，最长响应时间为N2×T，N1、N2均为常数、正数，N2﹥N1。

第一步：得到第一个测量值，令：数字滤波输出值＝以前测量的每一个值＝第一个测量值，Y＝0.5，N＝(N1+N2)/2。

第二步：每新得到一个测量值,就计算最新N个测量值的平均值。假设N＝P.Q，最新N个测量值的平均值＝(最新P个测量值之和+第P+1个测量值×0.Q)/P.Q。

第三步：K＝(︱数字滤波输出值-最新N个测量值的平均值︱-K1)，Y＝Y-K2×K，N＝N-K3×K。其中：1-a≥Y≥a，N2≥N≥N1，K1、K2、K3均为常数、正数。

第四步：数字滤波输出值＝数字滤波输出值×Y+最新N个测量值的平均值×(1-Y)，转第二步。

进一步地，本发明实施例通过调整a、N1、N2、K1、K2、K3，可以得到各种效果的数字滤波算法。其中，

(1)N与Y决定了最短响应时间，N越小，响应时间才可能越小。

(2)Y决定了当前数字滤波输出值采用前一个数字滤波输出值和最新N个测量值的平均值的权重，Y的取值范围决定了前一个数字滤波输出值和最新N个测量值的平均值的权重范围。

(3)K1决定了Y和N正负变化的阀值，即：当︱数字滤波输出值-最新N个测量值的平均值︱>K1，Y和N减小；当︱数字滤波输出值-最新N个测量值的平均值︱<K1，Y和N增加；当︱数字滤波输出值-最新N个测量值的平均值︱＝K1,Y和N不变。

(4)K2决定了Y变化的速度，K2越大，Y变化速度越快，样本明显跳变时，Y应能在预期时间内改变到a。

(5)K3决定了N变化的速度，K3越大，N变化速度越快，样本明显跳变时，N应能在预期时间内改变到N2。

另外，本发明实施例具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大的优点，当样本突变时，上升响应时间和下降响应时间都能根据样本突变的大小做出动态调整，即：样本突变越大，上升响应时间和下降响应时间越短；当样本变化不大时，能大幅度降低样本标准偏差。

需要说明的是，上升响应时间：测量装置运行稳定后，给测量装置输入标准的零点信号，待读数稳定后给测量装置输入突变量标准的X％满量程信号，开始计时，当读数上升至X％满量程的90％时，停止计时，记录所用时间为测量装置上升X％满量程的响应时间。

下降响应时间：测量装置运行稳定后，给测量装置输入标准的X％满量程信号，待读数稳定后给测量装置输入突变量标准的零点信号，开始计时，当读数下降至X％满量程的10％时，停止计时，记录所用时间为测量装置下降X％满量程的响应时间。

综上，本发明实施例用来降低样本标准偏差且响应时间自动动态可调，方法简单，便于实际操作，适用于所有需要降低样本标准偏差且响应时间自动动态可调的场合，尤其适用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置。通过调整a、N1、N2、K1、K2、K3，可以得到各种效果的数字滤波算法。

根据本发明实施例提出的数字滤波方法，通过对滤波参数进行调整以满足不同使用需求，适用于所有需要降低样本标准偏差且响应时间自动动态可调的场合，适用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置，从而通过调整参数，可以得到各种效果的数字滤波算法，具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的数字滤波装置。

图2是本发明一个实施例的数字滤波装置的结构示意图。

如图2所示，该数字滤波装置10包括：第一获取模块100、第二获取模块200、第一调整模块300和第三获取模块400。

其中，第一获取模块100用于获取数字滤波的前一个输出值，并获取当前连续N个测量值的平均值。第二获取模块200用于获取前一个输出值与平均值之间的差值的绝对值。第一调整模块300用于根据绝对值对前一个输出值的权重、平均值的权重和N进行调整。第三获取模块400用于根据调整后的前一个输出值的权重、平均值的权重和N获取数字滤波的当前输出值。本发明实施例的装置10通过对滤波参数进行调整以满足不同使用需求，从而通过调整参数，可以得到各种效果的数字滤波算法，具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一调整模块300进一步用于在绝对值大于预设阈值时，调高平均值的权重，并调低前一个输出值的权重，以及调低N；在绝对值小于预设阈值时，调低平均值的权重，并调高前一个输出值的权重，以及调高N；在绝对值等于预设阈值时，保持平均值的权重、前一个输出值的权重和N不变。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过以下公式获取数字滤波的当前输出值：当前输出值＝前一个输出值×权重+当前连续N个测量值平均值×(1-权重)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：第二调整模块。其中，第二调整模块用于根据K值调整权重和N，其中，K＝绝对值-K1，权重＝上一个权重-K2×K，N＝上一个N-K3×K，K1、K2和K3均为常数、正数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当前连续N个测量值的平均值＝(当前P个测量值之和+第P+1个测量值×0.Q)/P.Q，其中，N＝P.Q。

需要说明的是，前述对数字滤波方法实施例的解释说明也适用于该实施例的数字滤波装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的数字滤波装置，通过对滤波参数进行调整以满足不同使用需求，适用于所有需要降低样本标准偏差且响应时间自动动态可调的场合，适用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置，从而通过调整参数，可以得到各种效果的数字滤波算法，具有响应时间自动动态可调、样本标准偏差降低幅度大、适用性强和简单易实现的优点。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种数字滤波方法，其特征在于，所述方法应用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置，在降低所述数字式测量装置修正样本标准偏差的同时，缩短响应时间，其中，所述方法包括以下步骤：

获取所述数字式测量装置进行数字滤波时的前一个输出值，并获取所述数字式测量装置的当前连续N个测量值的平均值；

获取所述前一个输出值与所述平均值之间的差值的绝对值；

根据所述绝对值对所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N进行调整，其中，当所述绝对值大于预设阈值时，调高所述平均值的权重，并调低所述前一个输出值的权重，以及调低所述N，当所述绝对值大于预设阈值时判定出现样本突变，并根据所述样本突变的大小动态调整所述数字式测量装置的上升响应时间和下降响应时间；测量装置运行稳定后，给测量装置输入标准的零点信号，待读数稳定后给测量装置输入突变量标准的X%满量程信号，开始计时，当读数上升至X%满量程的90%时，停止计时，记录所用时间为测量装置上升X%满量程的上升响应时间；测量装置运行稳定后，给测量装置输入标准的X%满量程信号，待读数稳定后给测量装置输入突变量标准的零点信号，开始计时，当读数下降至X%满量程的10%时，停止计时，记录所用时间为测量装置下降X%满量程的下降响应时间；

根据调整后的所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N获取所述数字式测量装置进行数字滤波时的当前输出值；

所述根据调整后的所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N获取所述数字式测量装置进行数字滤波时的当前输出值，进一步包括：当所述绝对值小于所述预设阈值时，调低所述平均值的权重，并调高所述前一个输出值的权重，以及调高所述N；当所述绝对值等于所述预设阈值时，保持所述平均值的权重、所述前一个输出值的权重和所述N不变；

通过以下公式获取数字滤波的当前输出值：

所述当前输出值=前一个输出值×权重+当前连续N个测量值平均值×（1-权重）；

根据K值调整所述权重和所述N，其中，

K=绝对值-K1，权重=上一个权重-K2×K，N=上一个N-K3×K，K1、K2和K3均为常数、正数。

2.一种数字滤波装置，其特征在于，所述装置应用于需要修正样本以降低样本标准偏差的数字式测量装置，在降低所述数字式测量装置修正样本标准偏差的同时，缩短响应时间，其中，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取所述数字式测量装置进行数字滤波时的前一个输出值，并获取所述数字式测量装置的当前连续N个测量值的平均值；

第二获取模块，用于获取所述前一个输出值与所述平均值之间的差值的绝对值；

第一调整模块，用于根据所述绝对值对所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N进行调整，其中，当所述绝对值大于预设阈值时，调高所述平均值的权重，并调低所述前一个输出值的权重，以及调低所述N，当所述绝对值大于预设阈值时判定出现样本突变，并根据所述样本突变的大小动态调整所述数字式测量装置的上升响应时间和下降响应时间；测量装置运行稳定后，给测量装置输入标准的零点信号，待读数稳定后给测量装置输入突变量标准的X%满量程信号，开始计时，当读数上升至X%满量程的90%时，停止计时，记录所用时间为测量装置上升X%满量程的上升响应时间；测量装置运行稳定后，给测量装置输入标准的X%满量程信号，待读数稳定后给测量装置输入突变量标准的零点信号，开始计时，当读数下降至X%满量程的10%时，停止计时，记录所用时间为测量装置下降X%满量程的下降响应时间；

第三获取模块，用于根据调整后的所述前一个输出值的权重、所述平均值的权重和所述N获取所述数字式测量装置进行数字滤波时的当前输出值；

所述第一调整模块进一步用于在所述绝对值小于所述预设阈值时，调低所述平均值的权重，并调高所述前一个输出值的权重，以及调高所述N；在所述绝对值等于所述预设阈值时，保持所述平均值的权重、所述前一个输出值的权重和所述N不变；

通过以下公式获取数字滤波的当前输出值：

所述当前输出值=前一个输出值×权重+当前连续N个测量值平均值×（1-权重）；

第二调整模块，用于根据K值调整所述权重和所述N，其中，

K=绝对值-K1，权重=上一个权重-K2×K，N=上一个N-K3×K，K1、K2和K3均为常数、正数。