基于C单片机的数字滤波要点.docx
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基于C单片机的数字滤波要点
HUBEINORMALUNIVERSITY
综合课程设计
(一)
IntegratedCurriculumDesign
(1)
所在院系
教育信息与技术学院
专业名称
信息工程
班级
1005
题目
基于单片机的数字滤波器
指导教师
成员
完成时间
2013.1.7
任务分工:
尤杉:
整体系统设计及编程调试。
柯俊:
进行资料的查询。
钱德超:
辅助编程,及proteus电路图的绘制。
陈小浩:
完成word文档的编辑。
摘要I
1绪论1
1.1仿真软件介绍1
1.2数字滤波器介绍1
2单片机和AD/DA相关知识3
2.151单片机相关知识3
2.2AD转换器相关知识4
2.3DA转换器相关知识5
3数字滤波器设计6
3数字滤波器系统设计6
3.1数字滤波器理论分析设计6
3.2单片机电路7
3.3数据采集电路8
3.4数模转换输出电路9
3.5数字电压表系统电路原理图10
4程序设计10
4.1程序流程图11
4.2AD转换器程序12
4.3程序代码13
6心得与体会20
参考文献21
1绪论
1.1仿真软件介绍
现代工业控制系统中,电路系统越来越复杂,因而带来的相互干扰也越来越强烈,模拟滤波电路已经不能满足要求,数字滤波应运而生。
数字滤波器的实现过程的实现过程是把输入的模拟信号数字化,也就是由采样器对输入的模拟信号进行周期性的采样,并对每个样本进行量化和编码,即模数转换。
从ADC输出的数字信号送入到数字信号处理器进行处理变化,处理器输出的数字信号再通过数模转换为模拟信号,这个过程要用到DAC来转换实现模拟信号的输出。
1.2数字滤波器介绍
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上,可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路,该软件的特点是:
(1)现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
(2)支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有:
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
(3)提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能;同时支持第三方的软件编译和调试环境,如KeilC51uVision2等软件。
(4)具有强大的原理图绘制功能。
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,再配合显示及输出,能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等,Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
在PROTEUS绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码文件:
*.HEX,可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化,也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果,后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能,例:
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库,提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表,因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。
2单片机和AD/DA相关知识
2.151单片机相关知识
51单片机是对目前所有兼容intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是intel的8031单片机,后来随着技术的发展,成为目前广泛应用的8为单片机之一。
单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路,又称为MCU。
51系列单片机内包含以下几个部件:
一个8位CPU;一个片内振荡器及时钟电路;
4KB的ROM程序存储器;
一个128B的RAM数据存储器;
寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路;
32条可编程的I/O口线;
两个16位定时/计数器;
一个可编程全双工串行口;
5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
51系列单片机如下图:
图151单片机引脚图
2.2AD转换器相关知识
ADC0808是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式AD转换器。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
(1)主要特性:
1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs(时钟为640kHz时),130μs(时钟为500kHz时)
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
(2)内部结构
ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图13.22所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
图2ADC0808引脚
2.3DA转换器相关知识
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式,DAC0832有三种工作方式:
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
主要性能如下:
(1)分辨率为8位;
(2)电流稳定时间1us;
(3)可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;
(4)只需在满量程下调整其线性度;
(5)单一电源供电(+5V~+15V);
(6)低功耗,20mW。
DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片,集成电路内有两级输入寄存器,使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。
所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图:
D/A转换结果采用电流形式输出。
若需要相应的模拟电压信号,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻,也可外接。
DAC0832逻辑输入满足TTL电平,可直接与TTL电路或微机电路连接。
图2ADC0809引脚
图2ADC0809引脚
图3DAC0832引脚
3数字滤波器系统设计
3.1数字滤波器理论分析设计
数字滤波方法有很多种,如中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波,限幅滤波等等。
本次课程设计我选用的是限幅滤波方法和中位值滤波法
限幅滤波的基本原理是把两次相邻时刻(n和n-1)的采样值Yn和Yn-1相减,求出其差值,以绝对值表示,然后将这个差值与两次采样允许的最大偏差值ΔY比较,如果两次采样值的差值超过了允许的最大偏差值ΔY,则认为发生了随机干扰,并认为最后一次采样值Yn非法,应予剔除。
剔除Yn后,可用Yn-1代替Yn;若未超过允许的最大偏差值范围,则认为本次采样值有效。
可用如下公式表示:
|Yn-Yn-1|≤ΔY;则Yn有效
|Yn-Yn-1|>ΔY;则Yn-1有效
此算法的样例子程序如下:
#defineA11 //A值可根据实际情况调整
chardata; //上一次的数据
charfilter_1()
{
chardatanew; //新数据变量
datanew=get_data(); //获得新数据
//滤波算法
ucharfilter1()
{
ucharnew_value,value;
value=get_data(N-2);//把第十个值给value
new_value=get_data(N-1);//第十一个值给new_value
if((new_value-value>A)||(value-new_value>A))//如果差值大于0.002
returnvalue;
returnnew_value;
//中位值滤波算法
voidfilter2()
{
intcount,i,j;//定义存储数据的数组
uchartemp;//定义存储数据的数组
for(count=0;count{
buf[count]=get_data(count);
}
for(j=0;j{
for(i=0;iif(buf[i]>buf[i+1])
{temp=buf[i];
buf[i]=buf[i+1];
buf[i+1]=temp;
}
}
res=buf[(N-1)/2];//11个数排序后取中间的数值
}
该算法主要用于处理变化比较缓慢的数据,如温度、物体的位置等。
使用时关键在于最大偏差值的Δy的选择,通常可根据经验获得,也可按照输出参数可能的最大变化速度Vmax及采样周期T来决定ΔY的值,即ΔY=VmaxT。
3.2整体框架
整体框架图如下:
3.1单片机最小系统如下:
图4单片机最小系统
使用51系列单片机——AT89C51,利用这个单片机进行编程,实现对输入信号的滤波。
我使用了P0口作为接受AD转换的结果的端口,而P1口则输出数据到DA转换器。
另外还利用了P2作为控制端口,P2.0-P2.2用来控制AD转换器,而P1.0-P1.3外接四个开关,用来实现滤波方式的选择。
3.3数据采集电路
由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件,ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择,编码为000~111分别选中IN0~IN7。
ALE为地址锁存信号,其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC的信号,译码后控制模拟开关,接通八路模拟输入中相应的一路。
CLK为输入时钟,为AD转换器提供转换的时钟信号,典型工作频率为500KHz-600kHZ。
START为AD转换启动信号,正脉冲启动ADDA~ADDC选中的一路模拟信号开始转换。
OE为输出允许信号,高电平时候打开三态输出缓存器,是转换后的数字量从D0~D7输出。
EOC为转换结束信号,启动转换后EOC变为低电平,转换完成后EOC编程高电平。
图5ADC模数转换
3.4数模转换输出电路
这里我用了DA0832来进行数模转换。
DA0832的引脚图如下图所示:
图6DAC数模转换
DA0832有三种数模转换方法,直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式,因为单片机输出后可以直接进行数模转换,所以这里我采用了不需要单片机控制的最为简单的直通方式,但是DA0832若用于直通方式。
若用于直通方式下,则GND均接地,而VCC和ILE则接正电源。
VREF是参考电源。
IOUT1、IOUT2是两个输出端。
DA0832输出的是电流,要利用运算放大器转换成电压信号。
3.5数字电压表系统电路原理图
如下是此次设计仿真的数字滤波器电路总原理图。
此图总共分为三个部分,分别是采用电路ADC,处理分析部分单片机,调理信号输出部分DAC。
图8数字滤波器设计总原理图
4程序设计
4.1程序流程图
图9程序流程图
4.2程序代码
#include
#defineucharunsignedchar
#defineA0.002
#defineN11
sbitcon1=P1^0;//滤波方法选择
sbitcon2=P1^1;
sbitkey=P1^4;//控制是否滤波
sbitled=P1^5;
sbitOE=P3^0;
sbitSTART=P3^1;
sbitEOC=P3^2;
sbitCLOCK=P3^4;
uchara;
ucharres;
ucharbuf[N]={0};
voidADC0808();//模数转换函数声明
voidchange();//数值更新函数声明
ucharget_data(n);
ucharfilter1();//限幅滤波函数声明
voidfilter2();//中值滤波函数声明
voiddelay(ucharz);
voidinint();
voidmain()//主函数
{
while
(1)
{
inint();
ADC0808();
P2=res;
}}
voidADC0808()
{
START=0;
START=1;
START=0;
led=0;
EOC=~EOC;//取反负跳变进入外部中断
delay
(1);
if(key==0)
{
if(con1==0)//选择限幅滤波
res=filter1();
if(con2==0)//选择中值滤波
filter2();
}
elseres=a;
}
voidchange()
{
uchari;
for(i=0;ibuf[i]=buf[i+1];
buf[N-1]=a;
}
ucharget_data(n)//数据更新
{
change();
returnbuf[n];
}
//限幅滤波
ucharfilter1()
{
ucharnew_value,value;
value=get_data(N-2);//把第十个值给value
new_value=get_data(N-1);//第十一个值给new_value
if((new_value-value>A)||(value-new_value>A))returnvalue;
returnnew_value;
}
//中值滤波法
voidfilter2()
{
intcount,i,j;//定义存储数据的数组
uchartemp;//定义存储数据的数组
for(count=0;count{
buf[count]=get_data(count);
}
for(j=0;j{
for(i=0;iif(buf[i]>buf[i+1])
{temp=buf[i];
buf[i]=buf[i+1];
buf[i+1]=temp;
}
}
res=buf[(N-1)/2];//11个数排序后取中间的数值
}
voidexter0()interrupt0
{led=1;
P0=0xff;//P0端口作为输入预先置1
OE=1;//使能输出置1
a=P0;
OE=0;//使能输出关闭
}
voidtimer0()interrupt1//产生500KhZ提供给ADC0808
{
TH0=(65536-2)/256;
TL0=(65536-2)%256;
CLOCK=~CLOCK;
}
voidtimer1()interrupt3//采样频率20HZ
{
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
a=P0;
}
voidinint()
{TMOD=0x11;//设置定时器工作方式
TH0=(65536-2)/256;//装初值
TL0=(65536-2)%256;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
EA=1;//开总中断
ET0=1;//开定时器0中断
TR0=1;//启动定时器0中断
ET1=1;//开定时器1,启动定时器1
TR1=1;
EX0=1;//开外部中断
IT0=1;//外部中断触发方式
}
voiddelay(ucharz)//延时函数
{
ucharx,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);}
5仿真及结果分析
通过正确的编写程序和不断调试发现,比较理想的滤波效果是中位值滤波,先幅滤波效果不太理想,下面给出两种滤波图型:
限幅滤波
中位值滤波:
当噪声信号的频率为1,幅度为4时,有效信号频率为5,幅度为1事,出现严重失真,图形如下:
当噪声信号的频率为50,幅度为1时,有效信号频率为5,幅度为2,滤波比较理想,图形如下:
结果分析:
限幅滤波的效果是和A值有关的,一般情况下,A值越小,则代表允许的噪声要越小,限幅滤波很适用于使幅值突变的噪声。
限幅滤波适用于变化缓慢的场合,比如主要用于处理变化比较缓慢的数据,如温度、物体的位置等。
使用时关键在于最大偏差值的Δy的选择,通常可根据经验获得。
而且通过仿真过程中不断修改A的值,滤波效果会明显发生变化,通过改变信号的频率,滤波的结果也会发生明显变化,当信号的频率过高时,滤波效果会使最终的波形发生明显的失真现象。
中位值滤波和噪声信号的频率及幅度有一定关系,当噪声频率较小时,幅度较大滤波效果不是很理想。
6心得与体会
通过与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的,课程设计的任务是设计、组装并调试一个数字电压表测量系统。
需要我们综合运用单片机等课程的知识,通过查阅资料、方案论证与选定;设计和选取电路和元器件;分析指标及讨论,完成设计任务。
在这次课程设计中,我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。
动手能力得到很大的提高。
从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的高频电路知识。
在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。
但由于电路比较简单、定型,而不是真实的生产、科研任务,所以我们基本上能有章可循,完成起来并不困难。
把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步,元器件选择等手段结合起来,掌握工程设计的步骤和方法,了解科学实验的程序和实施方法。
这对今后从事技术工作无疑是个很好的训练。
通过这种综合训练,我们可以掌握电路设计的基本方法,提高动手组织实验的基本技能,培养分析解决电路问题的实际本领,为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。
同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别,认识莫眼高手低,莫闭门造车,知识都在不断更新和流动之中,而扎实的基础是一切创造的源泉,只有从本质上理解了原理,才能更好的于疑途寻求柳暗花明,实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。
还有就是每次在组团做试验都会感觉特别的充实,我们可以按照自己设计的电路去完成,老师也不是死板的要求我们怎么怎么,而是给了我们尽可能大的自己决定的余地,这次的元器件都是按照我们设计出来的电路参数给定的,而且每位老师都很耐心的为我们解决试验中所出现的问题,最后真心的感谢老师对我们课程设计的建议和帮助,我们才得以圆满的完成这次课程设计!
参考文献
[1]李群芳,肖看.单片机原理接口与应用.北京:
清华大学出版社,2005。
[2] 陈小忠.单片机实用接口技术子程序[M].人民邮电出版社,2005。
[3] 阎石.数字电子技术基础(第三版).北京:
高等教育出版社,2003。
[4] 高峰.单片微机应用系统设计及应用技术.北京:
机械工业出版社,2004。
[5]郭天祥51单片机c语言教程.电子工业出版社。