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第48章 STM32F407的中值濾波器實作，适合噪聲和脈沖過濾（支援逐個資料的實時濾波）

本章節講解中值濾波器實作，适用于噪聲和脈沖的過濾。

48.1 初學者重要提示

48.2 中值濾波器介紹

48.3 中值濾波器原理

48.4 Matlab中值濾波器實作

48.5 中值濾波器設計

48.6 實驗例程說明（MDK）

48.7 實驗例程說明（IAR）

48.8 總結

1、 ARM DSP庫沒有提供中值濾波器，是以本章的實作是根據中值濾波器原理做了兩個函數，一個函數是一塊資料的濾波器實作，另一個函數是實時的逐點濾波實作。

中值濾波器是一種非線性數字過濾技術，通常用于消除圖像或信号中的噪聲。中值濾波器在數字圖像進行中被廣泛使用。在信号進行中也有應用，通過丢棄所有可疑測量結果來抑制脈沖幹擾。有幾個輸入資料，篩選器計算中值值。

【STM32F407的DSP教程】第48章 STM32F407的中值濾波器實作，适合噪聲和脈沖過濾（支援逐個資料的實時濾波）

這裡我們通過一個執行個體來了解中值濾波器。比如我們要對如下五個資料求中值：

x = [14 18 16 21 11]

我們将濾波階數設定為5，即y = medfilt1(x, 5)，表示每5個采樣值求一次中值。原理和實作如下：

函數是取x(k-2)，x(k-1), x(k), x(k+1), x(k+2)的中值作為輸出y(k)。對于y(1)，隻有x(1), x(2), x(3)存在數值，之前的不存在，對于不存在的補0。每5個數按從小到大排列後取中值有：

y(1)的計算是從[0 0 14 16 18]中取中值是14。

y(2)的計算是從[0 14 16 18 21]中取中值是16。

y(3)的計算是從[11 14 16 18 21]中取中值是16。

y(4)的計算是從0 11 16 18 21]中取中值是16。

y(5)的計算是從[0 0 11 16 21]中取中值是11。

首先建立兩個混合信号，便于更好測試濾波器效果。

混合信号Mix_Signal_1 = 信号Signal_Original_1+白噪聲。

混合信号Mix_Signal_2 = 信号Signal_Original_2+白噪聲。

Fs = 1000;                                                          %采樣率
N  = 1000;                                                          %采樣點數
n  = 0:N-1;
t   = 0:1/Fs:1-1/Fs;                                                %時間序列
Signal_Original_1 =sin(2*pi*10*t)+sin(2*pi*20*t)+sin(2*pi*30*t);
Noise_White_1    = [0.3*randn(1,500), rand(1,500)]; %前500點高斯分部白噪聲，後500點均勻分布白噪聲
Mix_Signal_1   = Signal_Original_1 + Noise_White_1; %構造的混合信号

Signal_Original_2  =  [zeros(1,100), 20*ones(1,20), -2*ones(1,30), 5*ones(1,80), -5*ones(1,30), 9*ones(1,140), -4*ones(1,40), 3*ones(1,220), 
12*ones(1,100), 5*ones(1,20), 25*ones(1,30), 7 *ones(1,190)];

Noise_White_2     =  0.5*randn(1,1000);                             %高斯白噪聲
Mix_Signal_2        =  Signal_Original_2 + Noise_White_2;           %構造的混合信号

濾波代碼實作如下：

%****************************************************************************************
%  
%                信号Mix_Signal_1 和 Mix_Signal_2  分别作中值濾波
%
%***************************************************************************************

%混合信号 Mix_Signal_1  中值濾波
Signal_Filter=medfilt1(Mix_Signal_1,10);

subplot(4,1,1);                                          %Mix_Signal_1 原始信号                 
plot(Mix_Signal_1);
axis([0,1000,-5,5]);
title('原始信号 ');

subplot(4,1,2);                                          %Mix_Signal_1 中值濾波後信号  
plot(Signal_Filter);
axis([0,1000,-5,5]);
title('中值濾波後的信号');

%混合信号 Mix_Signal_2  中值濾波
Signal_Filter=medfilt1(Mix_Signal_2,10);
subplot(4,1,3);                                          %Mix_Signal_2 原始信号                 
plot(Mix_Signal_2);
axis([0,1000,-10,30]);
title('原始信号 ');

subplot(4,1,4);                                          %Mix_Signal_2 中值濾波後信号  
plot(Signal_Filter);
axis([0,1000,-10,30]);
title('中值濾波後的信号');

Matlab運作效果：

本章的實作是根據中值濾波器原理做了兩個函數，一個函數是一塊資料的濾波器實作，另一個函數是實時的逐點濾波實作。

48.5.1 函數MidFilterBlock

函數原型：

void MidFilter(float32_t *pSrc, float32_t *pDst, uint32_t blockSize, uint32_t order)

函數描述：

這個函數用于一段資料的中值濾波。

函數參數：

第1個參數是源資料位址。
第2個參數是目的資料位址。
第3個參數是濾波資料個數，至少為2。
第4個參數是濾波階數，至少為2。

48.5.2 函數MidFilterRT

函數定義如下：

void MidFilterRT(float32_t *pSrc, float32_t *pDst, uint8_t ucFlag, uint32_t order)

這個函數用于逐個資料的實時濾波。

第3個參數設定為1表示首次濾波，後面繼續濾波，需将其設定為0。

48.5.3 宏定義設定 (重要)

用到兩個宏定義，大家根據自己的應用進行設定：

#define TEST_LENGTH_SAMPLES 1024 /* 采樣點數 */

#define MidFilterOrder 16 /* 濾波階數 */

第1個宏定義：采樣點數用于整塊資料濾波，一次性濾波的點數。

第2個宏定義：設定濾波階數。

48.5.4 整塊資料中值濾波測試

适用于分段資料濾波，測試波形是由原始信号+高斯白噪聲+均勻白噪聲。

/*
*********************************************************************************************************
*    函 數 名: MidFilterBlockTest
*    功能說明: 整塊資料濾波測試
*    形    參: 無
*    返 回 值: 無
*********************************************************************************************************
*/
void MidFilterBlockTest(void)
{

    MidFilterBlock((float32_t *)&testdata[0], &DstDate[0], TEST_LENGTH_SAMPLES, MidFilterOrder);

    for(int i = 0; i < TEST_LENGTH_SAMPLES; i++)
    {
        printf("%f, %f\r\n", testdata[i], DstDate[i]);
    }
}

濾波器效果，紅色是原始波形，杏黃色是濾波後效果：

48.5.5 逐個資料中值濾波測試 (支援實時濾波)

适用于逐個資料的實時濾波，測試波形是由原始信号+高斯白噪聲+均勻白噪聲。

/*
*********************************************************************************************************
*    函 數 名: MidFilterOneByOneTest
*    功能說明: 逐個資料濾波測試
*    形    參: 無
*    返 回 值: 無
*********************************************************************************************************
*/
void MidFilterOneByOneTest(void)
{
    float32_t  *inputF32, *outputF32;
    
    inputF32 = (float32_t  *)&testdata[0];
    outputF32 = &DstDate[0];
    
    /* 從頭開始，先濾第1個資料 */
    MidFilterRT(inputF32 , outputF32, 1, MidFilterOrder);
    
    /* 逐次濾波後續資料 */
    for(int i = 1; i < TEST_LENGTH_SAMPLES; i++)
    {
        MidFilterRT(inputF32 + i , outputF32 + i, 0, MidFilterOrder);
    }
    
    for(int i = 0; i < TEST_LENGTH_SAMPLES; i++)
    {
        printf("%f, %f\r\n", testdata[i], DstDate[i]);
    }
}

配套例子：

V5-233_中值濾波器實作，适用于噪聲和脈沖過濾(支援逐點實時濾波)

實驗目的：

學習中值濾波器。

實驗内容：

啟動一個自動重裝軟體定時器，每100ms翻轉一次LED2。
K1鍵按下，整塊資料濾波測試。
K2鍵按下，逐個資料濾波器測試。

使用AC6注意事項

特别注意附件章節C的問題

上電後序列槽列印的資訊：

波特率 115200，資料位 8，奇偶校驗位無，停止位 1。

RTT方式列印資訊：

程式設計：

系統棧大小配置設定：

硬體外設初始化

硬體外設的初始化是在 bsp.c 檔案實作：

/*
*********************************************************************************************************
*    函 數 名: bsp_Init
*    功能說明: 初始化所有的硬體裝置。該函數配置CPU寄存器和外設的寄存器并初始化一些全局變量。隻需要調用一次
*    形    參：無
*    返 回 值: 無
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
    /* 
       STM32F407 HAL 庫初始化，此時系統用的還是F407自帶的16MHz，HSI時鐘:
       - 調用函數HAL_InitTick，初始化滴答時鐘中斷1ms。
       - 設定NVIC優先級分組為4。
     */
    HAL_Init();

    /* 
       配置系統時鐘到168MHz
       - 切換使用HSE。
       - 此函數會更新全局變量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
    */
    SystemClock_Config();

    /* 
       Event Recorder：
       - 可用于代碼執行時間測量，MDK5.25及其以上版本才支援，IAR不支援。
       - 預設不開啟，如果要使能此選項，務必看V5開發闆使用者手冊第8章
    */    
#if Enable_EventRecorder == 1  
    /* 初始化EventRecorder并開啟 */
    EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
    EventRecorderStart();
#endif
    
    bsp_InitKey();        /* 按鍵初始化，要放在滴答定時器之前，因為按鈕檢測是通過滴答定時器掃描 */
    bsp_InitTimer();      /* 初始化滴答定時器 */
    bsp_InitUart();    /* 初始化序列槽 */
    bsp_InitLed();        /* 初始化LED */        
}

主功能：

主程式實作如下操作：

啟動一個自動重裝軟體定時器，每100ms翻轉一次LED2。
K1鍵按下，整塊資料濾波測試。
K2鍵按下，逐個資料濾波器測試。

/*
*********************************************************************************************************
*    函 數 名: main
*    功能說明: c程式入口
*    形    參: 無
*    返 回 值: 錯誤代碼(無需處理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
    uint8_t ucKeyCode;        /* 按鍵代碼 */
    uint16_t i;

    bsp_Init();        /* 硬體初始化 */
    PrintfLogo();    /* 列印例程資訊到序列槽1 */

    PrintfHelp();    /* 列印操作提示資訊 */
        

    bsp_StartAutoTimer(0, 100);    /* 啟動1個100ms的自動重裝的定時器 */

    /* 進入主程式循環體 */
    while (1)
    {
        bsp_Idle();        /* 這個函數在bsp.c檔案。使用者可以修改這個函數實作CPU休眠和喂狗 */
        

        if (bsp_CheckTimer(0))    /* 判斷定時器逾時時間 */
        {
            /* 每隔100ms 進來一次 */
            bsp_LedToggle(2);    /* 翻轉LED的狀态 */
        }
        
        ucKeyCode = bsp_GetKey();    /* 讀取鍵值, 無鍵按下時傳回 KEY_NONE = 0 */
        if (ucKeyCode != KEY_NONE)
        {
            switch (ucKeyCode)
            {
                case KEY_DOWN_K1:            /* K1鍵按下，整塊資料濾波測試 */
                    MidFilterBlockTest();
                    break;

                case KEY_DOWN_K2:            /* K2鍵按下，逐個資料濾波器測試 */
                    MidFilterOneByOneTest();
                    break;                
    
                default:
                    /* 其它的鍵值不處理 */
                    break;
            }
        }

    }
}

/*
*********************************************************************************************************
*    函 數 名: bsp_Init
*    功能說明: 初始化所有的硬體裝置。該函數配置CPU寄存器和外設的寄存器并初始化一些全局變量。隻需要調用一次
*    形    參：無
*    返 回 值: 無
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
    /* 
       STM32F407 HAL 庫初始化，此時系統用的還是F407自帶的16MHz，HSI時鐘:
       - 調用函數HAL_InitTick，初始化滴答時鐘中斷1ms。
       - 設定NVIC優先級分組為4。
     */
    HAL_Init();

    /* 
       配置系統時鐘到168MHz
       - 切換使用HSE。
       - 此函數會更新全局變量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
    */
    SystemClock_Config();

    /* 
       Event Recorder：
       - 可用于代碼執行時間測量，MDK5.25及其以上版本才支援，IAR不支援。
       - 預設不開啟，如果要使能此選項，務必看V5開發闆使用者手冊第8章
    */    
#if Enable_EventRecorder == 1  
    /* 初始化EventRecorder并開啟 */
    EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
    EventRecorderStart();
#endif
    
    bsp_InitKey();        /* 按鍵初始化，要放在滴答定時器之前，因為按鈕檢測是通過滴答定時器掃描 */
    bsp_InitTimer();      /* 初始化滴答定時器 */
    bsp_InitUart();    /* 初始化序列槽 */
    bsp_InitLed();        /* 初始化LED */        
}

/*
*********************************************************************************************************
*    函 數 名: main
*    功能說明: c程式入口
*    形    參: 無
*    返 回 值: 錯誤代碼(無需處理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
    uint8_t ucKeyCode;        /* 按鍵代碼 */
    uint16_t i;

    bsp_Init();        /* 硬體初始化 */
    PrintfLogo();    /* 列印例程資訊到序列槽1 */

    PrintfHelp();    /* 列印操作提示資訊 */
        

    bsp_StartAutoTimer(0, 100);    /* 啟動1個100ms的自動重裝的定時器 */

    /* 進入主程式循環體 */
    while (1)
    {
        bsp_Idle();        /* 這個函數在bsp.c檔案。使用者可以修改這個函數實作CPU休眠和喂狗 */
        

        if (bsp_CheckTimer(0))    /* 判斷定時器逾時時間 */
        {
            /* 每隔100ms 進來一次 */
            bsp_LedToggle(2);    /* 翻轉LED的狀态 */
        }
        
        ucKeyCode = bsp_GetKey();    /* 讀取鍵值, 無鍵按下時傳回 KEY_NONE = 0 */
        if (ucKeyCode != KEY_NONE)
        {
            switch (ucKeyCode)
            {
                case KEY_DOWN_K1:            /* K1鍵按下，整塊資料濾波測試 */
                    MidFilterBlockTest();
                    break;

                case KEY_DOWN_K2:            /* K2鍵按下，逐個資料濾波器測試 */
                    MidFilterOneByOneTest();
                    break;                
    
                default:
                    /* 其它的鍵值不處理 */
                    break;
            }
        }

    }
}

本章節主要講解了中值濾波器的實作，非常時候噪聲濾除場景。

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【STM32F407的DSP教程】第48章 STM32F407的中值濾波器實作，适合噪聲和脈沖過濾（支援逐個資料的實時濾波）