一种基于avr单片机的工频干扰滤除快速算法

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1、计算机应用一种基于#$%单片机的工频干扰滤除快速算法北京航空航天大学电子信息工程学院!*!!!#0"王伯岭吴双力摘要!提出了一种利用数字滤波器滤除工频干扰的快速算法!这种算法从234单片机内部硬件乘法器的特点出发"采用分配系数法进行低通数字滤波器设计!经过3

2、备等%一般可以通过滤波电路消除工频干扰#但这-?+1*$.’+必将增加硬件结构的复杂程度%实际上#还可以采用数假设采样频率01/)!!-.#.分别取!"#$!"#)$!"%$字信号处理的相关算法#通过软件滤波器滤除工频干!"%)#代入!&"式#利用6>58>B画出频率响应曲线#如图*%其中)!-.频率对应的幅度衰减见表*%扰%软件滤波算法的采用#无疑会在简化电路结构的同时#使系统的硬件资源得到更加充分的利用#并达到降!低产品成本的要求%$)234单片机是25678公司生产的#位精简指令集$*!1!49:;"单片机%与同类单片机相比#

3、在运算速度$外设(’$*)!资源$灵活性等方面性能均衡#性价比较高%234单片度$+!幅机适合;语言开发#<7=>系列234单片机还有一个内$+)部硬件乘法器单元%这些特点都为软件滤波器的实现提!/!"#$0!!/!"#)供了极大的便利%!/!"%$0)!/!"%)!滤波算法频率!-."常用的单片机滤波算法包括中值滤波$均值滤波$图*频率响应曲线滑动平均以及复合滤波算法等%工频干扰的频率范围在)!-.附近#可以采用一个截止频率远低于)!-.的低通"定点小数表达方式表*)!-.幅度衰减为了精确构造数字滤波滤波器来滤除工频干扰%!!!衰

4、减假设输入信号为"?#1#输出信号为$?#1#则一个4;低通滤器#经常要用到浮点数据和系!"#$%"&’(%$?&1数%在进行浮点数乘法运算时#!"#)$**"%’(波器表达式为&!@$?&1/"?&1#其中!为时间常数%%&针对234单片机设计的;编!"%$*)")’(连续时间信号经过采样后成为离散时间信号#低通译器例如234$C;;#需要加入!"%)$+*",’(滤波器的表达式也变为&额外的数学库函数进行编译%$?’1$$?($*1而这会使编译后程序的代码量增加$处理时间加长$处!@$?(1/"?&1!*"!&理器的开销也随之增

5、加%为了更大限度地降低系统开!&为采样时间间隔#(为归一化时间%销#提高程序效率#采用定点小数表示形式进行乘法运由!*"式可得&算是最佳选择%$?(1/*"?(1@!)!&$?($*1!+"234单片机是一种#位精简指令集!49:;"单片机%*@!)!&*@!)!&其中67=>234系列内部都带有一个硬件乘法器#计算!)!&令!/A代入!+"式#一次#位乘#位的定点乘法只需+个时钟周期%因此采*@!)!&用#位定点采样数据乘以#位系数的定点乘法方式完$?(1/?*$!1’"?(1@!’$!(**"!0"成滤波算法是最高效的%对!0"

6、式进行+变换#可得&,?+1/?*$!1’-?+1@.’+$*’,!+"低通滤波处理涉及的运算形式为一个纯小数系数和一个已知数据相乘再相加%因此将系数采用定点小数*,计算机应用的表示形式"对于提高算法速度是至关重要的#加即可#可以定义一种3位定点小数表示形式$$S3数"其通过这种处理"",$-就可以作为计算下一次输出值各位权系数如下%",$0C-的一个已知量"并继续与S3数形式的滤波器系数相乘"得到新的输出值#这种处理方式简化第M位第N位第O位第P位第L位第Q位第C位第$位QRCQRQQRLQRPQROQRNQRMQR3了乘加运算的

7、完成过程"节省了系统硬件资源"并降低了处理器开销#R3S3数的表示范围从$到CRQ%$ABBN$BLMO"每两个"采样时间的控制数之间的间隔是QR3!$A$$LB$NQO&"其所能表达的纯小数采用单片机进行数字信号处理"一种有效而准确的共有Q3RCRQRPRO%QON个#例如CC$CC$$$就表示Q0Q0Q0Q%数据采集方式就是通过计数器中断服务程序,54?-控制RCRQRPROR3$A3PLMO"而CC$CC$$C就是表示Q0Q0Q0Q0Q%!"对输入信号进行精确采样#但是!图Q&中断服务程$A3PMNONQO"因此$A3PLMO

8、和$A3PMNONQO之间的纯小数序,54?-的开销影响了!"采样时间间隔的精确度"同时只能用这两个数中的一个近似表示了#这对于乘法计算如果中断服务程序,54?-的开销过大"必然导致!"的最的精度有一定的影响"但是由于滤波公式!L&中