一种数字滤波计算的方法技术

本发明专利技术公开了一种数字滤波计算的方法，该方法包括：选定滤波算法参量常数及初值Z0；连续获取采样值数据X1,X2...Xm，计算抗扰算术平均值Yn；计算残差率C＝|Yn‑Zn‑1|/Xup，依据差权表[Ai,Ci]判定权值系数a，计算滤波值Zn＝a*Yn+(1‑a)*Zn‑1；本发明专利技术能有效应对复杂类型数据对滤波器关于时间敏感性和估值平滑性的相对矛盾、相对于现有简单数字滤波算法大幅提高滤波算法多场景和复杂数据的自主适应性，相对于复杂的数字滤波较少占用微处理器资源，算法简单、模型简洁、代码简洁；全量程适用、快速响应、抗干扰性好、平滑性好、输出稳定；算法清晰明了、公式数字化、简单实用、程序流程及代码易于实现，具有很高的实用价值。

A method of digital filtering calculation

【技术实现步骤摘要】
一种数字滤波计算的方法
本专利技术涉及模拟量采集数据算法领域，具体是一种模拟量采集数据处理的软件数字滤波估值计算的方法。
技术介绍
现代商业消费及工业生产领域，智能设备中模拟量输入信号的采集和处理是较为常见的基本组成，是控制和监控的前端核心单元，被广泛应用；模拟量采集是基本数字化技术、通过模拟数字转化ADC单元实现；现代智能芯片MCU/ARM/DSP采用片上系统方案设计，除嵌入片上CPU指令系统内核，还嵌入快速模数转换ADC及脉宽调制PWM完成测量及控制，其中，模拟量测量内置10Bit/12Bit_SAR_ADC、采用逐次比较、采样数率高、精度优于0.1％/0.025％，满足大部分电子产品设计应用，一般设计者基于系统复杂性、材料成本、信号测量精度/动态速率性能比考虑，并不会额外配置双斜率积分16Bit_DSI_ADC或调制比较采样24Bit_Delta-Segma_ADC。模拟量信号采集包括调理测量、模数转换、记录存储，采集的测量过程中，会产生测量误差，还会受到外部环境影响、如温度、湿度、压力、静电场、射频场、电磁场，有时还会受到智能设备的自身工况改变导致测量电路环境相应改变，采集的信号会相应受到短时的高幅度跳变或随机的低幅度慢变干扰，导致数据不准确，存在干扰及随机误差，影响采集结果，严重时会导致智能设备工作异常。因此，系统测量采集后需要数据处理、实施数字滤波计算、按一定的设计目标和方法降低、限制或去除短时冲击信号以及周期性的干扰信号，减少智能设备因为使用不当的原始数据导致的运行流程异常或超界误判而导致系统失常或失控。常用的数字滤波算法有：限幅法、中值法、算术均值法、滑动均值法、一阶滞后法；这些算法的基本原理是，采用消抖或统计抖动次数对应处理源数据、选取算法限制范围内数据的中位值、计算均值或加权估值作为滤波结果，取得统计学意义下误差较小的数据估计值，并相应过滤噪声、使估计值相对于源数据降低或消除随机干扰、接近信号源。在新能源动力锂电池系统应用中，额定电压3.2V铁锂/3.7V三元锂电电池采用多串复合并联串联组成动力电池包，其中，电压采样常采用高精度标定值，精度优于0.1％，单节电压标度为4.000/5.000V；系统电压标度为60.00V/75.00V，用于BPU保护单元及SOC容量管理。动力锂电池保护的设计和应用，主要针对高压过充以及低压过放，其中过充保护需要快速采样、快速动作，即便精度不足0.1％，但优于1-5％即可，安全的快速保护及低误判是设计者及应用者的优选设计目标，在保护动作前后，检测到的充电电压主要指接入或准备接入、正在接入、正在脱离电池的充电电源或配电单元的电压，与电池的接入脱离以及电源极小负载改变的伏安特性相关，检测电路的电环境工况会相应发生改变；电池保护的另一项目即过放保护，需要适当的慢速动作，原因是过放保护动作点主要是针对电池内部的放电容量平台，电压也就实际针对平台电压，此电压与当前放电电流、容量、内阻、工作温度密切关联，且实际与当前时刻的前一段时间内电压平均值关联，而且，在保护动作前后，检测到的放电电压主要指已接通或准备接通、正在接通、正在脱离电池的放电电机或控制器的电压，与电池放电的接通脱离以及负载改变的伏安特性相关，其中也包括电感续流、电容短路特性，检测电路的电环境工况会相应发生改变。类似的，用于充电的开关电源，当开关机、负突变载时，电压值快速改变，此时模拟量检测应能快速响应；当负载稳定时，电压稳定，此时模拟量检测应稳定而不会因为电路随机干扰出现脉动跳变。根据以上的动力电池及电源的模拟量参数测量模式，可以看到，一些电子系统的模拟量采样及数据处理，会同时面临两种基本方式，其一方面是快速变化的中等精度模拟量采样及数据处理、此类数据对低幅干扰不敏感，另一方面是较高精度但缓慢变化的模拟量采样及数据处理、此类数据对低幅干扰敏感性高。现有技术中，一些算法的滤波效果很好，但需要与数据特征模型关联的参数较多，或是算法的数据内存、数据计算的需求量太大，或是代码量太大，不适合资源配置简单的MCU智能系统的应用。现有技术中，常常用到算术均值滤波算法，即连续取N个采样值进行算术平均运算，此算法特点是能较好的去除随机干扰导致的测量误差实现滤波，平滑度随N增大而提高，时敏度随N减小而提高。现有技术中，部分系统也用到一阶滞后滤波法，即引入0<a<1作为滤波加权系数，计算a*本次采样值+(1-a)*上次滤波值作为本次滤波值，此算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，但缺点是，只能消除低于一半采样频率的干扰信号、滤波相位滞后；同一个参数a，当滤波系数a越小，滤波结果越平稳，数据时敏度越低，信号低通频段收窄，无法及时跟进瞬变数据量，当滤波系数a越大，数据时敏度越高，但是滤波结果平滑性降低，滤波衰减频段收窄，可见一阶滞后滤波定值权系数无法完美兼顾灵敏度和平稳度。总的来说，针对这类数据采集和处理系统，目前对于简单的MCU类型的处理器，需要简单实用、性价比高、通用性强的数字滤波算法，分别按数据类型处理、兼顾采样数据时间敏感度和滤波平滑度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能实现全量程适用、输出稳定、区分数据场景、兼顾快速响应、抗干扰性好、平滑性好的数字滤波计算的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种数字滤波计算的方法，具体步骤如下：(1)选定用于采样转换、数字滤波的常数及数集，其中包括：1.1、选定正整数m,j，m≧4，j≧2；1.2、选定采样周期为Ts的逐次比较SAR-ADC转换器采样；1.3、选定信号满量程Xfull及限幅Xup＝p*Xfull，0.5≦p≦1；1.4、选定离散数集{Ai,i＝1...j}，满足：0<Ai-1<Ai<1；{Ci,i＝0,1...j}，满足：C0＝0,0<Ci-1<Ci<1；1.5、选定滤波估值Zn初值Z0，0≦Z0≦Xup；(2)连续采样并对数据计算抗扰算术平均滤波值Yn，其中包括：2.1、在第n个数据周期开始，连续获取采样值数据X1,X2...Xm；2.2、计算：Yn＝(Sum[Xi,i＝1...m]-Xmax-Xmin)/(m-2)，其中，Xmax＝Max[Xi,i＝1...m]，Xmin＝Min[Xi,i＝1...m]；(3)对采样均值结果Yn计算一阶滞后滤波值Zn，其中包括：3.1、计算：残差率C＝|Yn-Zn-1|/Xup；3.2、计算：权系数a＝[(A1,C0≦C<C1),...,(Aj,Cj-1≦C<Cj)]；3.3、计算：滤波值Zn＝a*Yn+(1-a)*Zn-1，n≧1。进一步地，所述滤波估值初值Z0，可取值范围为0≦Z0≦Xup，其中分别包括：(1)选定Z0＝0，即初值为0；(2)选定Z0＝Xup，即初值为最大值；(3)选定Z0＝Xnom本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字滤波计算的方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)选定用于采样转换、数字滤波的常数及数集，其中包括：/n1.1、选定正整数m,j，m≧4，j≧2；/n1.2、选定采样周期为Ts的逐次比较SAR-ADC转换器采样；/n1.3、选定信号满量程Xfull及限幅Xup＝p*Xfull，0.5≦p≦1；/n1.4、选定离散数集{Ai,i＝1...j}，满足：0<Ai-1<Ai<1；{Ci,i＝0,1...j}，满足：C0＝0,0<Ci-1<Ci<1；/n1.5、选定滤波估值Zn初值Z0，0≦Z0≦Xup；/n(2)连续采样并对数据计算抗扰算术平均滤波值Yn，其中包括：/n2.1、在第n个数据周期开始，连续获取采样值数据X1,X2...Xm；/n2.2、计算：Yn＝(Sum[Xi,i＝1...m]-Xmax-Xmin)/(m-2)，其中，Xmax＝Max[Xi,i＝1...m]，Xmin＝Min[Xi,i＝1...m]；/n(3)对采样均值结果Yn计算一阶滞后滤波值Zn，其中包括：/n3.1、计算：残差率C＝|Yn-Zn-1|/Xup；/n3.2、计算：权系数a＝[(A1,C0≦C<C1),...,(Aj,Cj-1≦C<Cj)]；/n3.3、计算：滤波值Zn＝a*Yn+(1-a)*Zn-1，n≧1。/n...

【技术特征摘要】
1.一种数字滤波计算的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)选定用于采样转换、数字滤波的常数及数集，其中包括：
1.1、选定正整数m,j，m≧4，j≧2；
1.2、选定采样周期为Ts的逐次比较SAR-ADC转换器采样；
1.3、选定信号满量程Xfull及限幅Xup＝p*Xfull，0.5≦p≦1；
1.4、选定离散数集{Ai,i＝1...j}，满足：0<Ai-1<Ai<1；{Ci,i＝0,1...j}，满足：C0＝0,0<Ci-1<Ci<1；
1.5、选定滤波估值Zn初值Z0，0≦Z0≦Xup；
(2)连续采样并对数据计算抗扰算术平均滤波值Yn，其中包括：
2.1、在第n个数据周期开始，连续获取采样值数据X1,X2...Xm；
2.2、计算：Yn＝(Sum[Xi,i＝1...m]-Xmax-Xmin)/(m-2)，其中，Xmax＝Max[Xi,i＝1...m]，Xmin＝Min[Xi,i＝1...m]；
(3)对采样均值结果Yn计算一阶滞后滤波值Zn，其中包括：
3.1、计算：残差率C＝|Yn-Zn-1|/Xup；
3.2、计算：权系数a＝[(A1,C0≦C<C1),...,(Aj,Cj-1≦C<Cj)]；
3.3、计算：滤波值Zn＝a*Yn+(1-a)*Zn-1，n≧1。


2.根据权利要求1所述的一种数字滤波计算的方法，其特征在于，所述滤波估值初值Z0，可取值范围为0≦Z0≦Xup，其中分别包括：
(1)选定Z0＝0，即初值为0；
(2)选定Z0＝Xup，即初值为最大值；
(3)选定Z0＝Xnom，即初值为硬件标称额定值，Xnom<Xup；
(4)选定Zo＝Xset，即初值为软件标定上电值，Xset<Xup。


3.根据权利要求1所述的一种数字滤波计算的方法，其特征在于，所述参数Xfull是采样设计满量程标度值，参数Xup＝p*Xfull是采样限制幅值，即在单次采样转换算法中实施限幅判定，其中p是限幅系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：段志刚，
申请(专利权)人：北京兴达智联科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11