第章单片机常用算法设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章,单片机常用算法设计,7.1,单片机滤波算法的设计,7.2,信号处理的,FFT,变换,7.3 SPWM,正弦逆变算法的设计,7.4 PID,控制算法,7.5 51,单片机,PID,算法程序,7.6,模糊控制算法,7.1,单片机滤波算法的设计,电路的滤波分为,模拟滤波,与,数字滤波,。其中数字滤波器具有,精度高、高可靠性和高稳定性,的特点,因此被广泛应用。用数字滤波算法克服随机误差主要有如下,优点,:,数字滤波由软件程序实现,不需要硬件,因此,不存在阻抗匹配的问题,；,对于多路信号输入通道,可以共用一个软件“滤波器”,降低仪表的设计成本,；,只要改变滤波器程序或元算参数,就能方便的改变滤波特性。,下面我们介绍几种主要的数字滤波法：,A.,限幅滤波法,对于,随机干扰,限幅滤波是一种有效的方法；,基本方法,：比较相邻,n,和,n-1,时刻的两个采样值,y(n),和,y(n 1),，根据经验确定两次采样允许的最大偏差。如果两次采样值的差值超过最大偏差范围,认为发生可随机干扰,并认为后一次采样值,y(n),为非法值,应予删除,删除,y(n),后,可用,y(n 1),代替,y(n),；若未超过所允许的最大偏差范围,则认为本次采样值有效。,下面是,限幅滤波程序,：,(A,值可根据实际情况调整，,value,为有效值,new_value,为当前采样值滤波程序返回有效的实际值,),#define A 10,char value;,char filter(),char new_value;,new_value=get_ad();,if(new_value-value A)|(value-new_value A)return value;,return new_value;,B.,中位值滤波法,中位值滤波法能有效克服,偶然因素,引起的波动或,采样不稳定,引起的误码等脉冲干扰；,对温度 液位等,缓慢变化,的被测参数用此法能收到良好的滤波效果,但是对于流量压力等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法；,基本方法,：对某一被测参数连续采样,n,次,(,一般,n,取奇数,),然后再把采样值按大小排列,取中间值为本次采样值。,#define N 11,char filter(),char value_bufN,，,count,i,j,temp;,for(count=0;countN;count+),value_bufcount=get_ad();delay();,for(j=0;jN-1;j+),for(i=0;ivalue_bufi+1),temp=value_bufi;value_bufi=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;,return value_buf(N-1)/2;,下面是,中位值滤波程序,：,C.,算术平均滤波法,算术平均滤波法适用于对,一般的具有随机干扰的信号,进行滤波。这种信号的特点是信号本身在某一数值范围附近上下波动,如,测量流量、液位,；,基本方法,：按输入的,N,个采样数据,寻找这样一个,Y,使得,Y,与各个采样值之间的偏差的平方和最小。,编写算术平均滤波法程序时严格注意,:,一,.,为了加快数据测量的速度,可采用先测量数据,存放在存储器中,测完,N,点后,再对,N,个数据进行平均值计算,;,二,.,选取适当的数据格式,也就是说采用定点数还是采用浮点数。其程序如下所示：,#define N 12,char filter(),int sum=0,，,count;,for(count=0;countN;count+),sum+=get_ad();delay();,return(char)(sum/N);,D.,递推平均滤波法,基本方法,：采用队列作为测量数据存储器,设队列的长度为,N,每进行一次测量,把测量结果放于队尾,而扔掉原来队首的一个数据,这样在队列中始终就有,N,个“最新”的数据。当计算平均值时,只要把队列中的,N,个数据进行算数平均,就可得到新的算数平均值。这样每进行一次测量,就可得到一个新的算术平均值。,#define N 12,char value_bufN,，,i=0;,char filter(),char count;int sum=0;,value_bufi+=get_ad();,if(i=N)i=0;,for(count=0;countN;count+),sum=value_bufcount;,return(char)(sum/N);,程序如下：,E.,一阶滞后滤波法,优点,：对周期性干扰具有良好的抑制作用,适用于波动频率较高的场合；,缺点,：相位滞后，灵敏度低,.,滞后程度取决于,a,值大小,.,不能消除滤波频率高于采样频率的,1/2,的干扰信号。程序如下：,#define a 50,char value;,char filter(),char new_value;,new_value=get_ad();,return(100-a)*value+a*new_value;,7.2,信号处理的,FFT,变换,快速傅里叶变换,(Fast Fourier Transfonn,，,FFT),是为了减少离散傅里叶变换,(Discrete Fourier Transform,，,DFT),计算次数的一种快速有效的算法。它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。,FFT,变换算法的基本思想,：利用,WN,的周期性和对称性，把一个,N,项序列（设,N=2k,k,为正整数），分为两个,N/2,项的子序列，每个,N/2,点,DFT,变换需要（,N/2,）,2,次运算，再用,N,次运算把两个,N/2,点的,DFT,变换组合成一个,N,点的,DFT,变换。这样变换以后，总的运算次数就变成,N+2,（,N/2,）,2=N+N2/2,。其程序片段如下所示：,#include#include#include,typedef struct double r;double i;my_complex;,/,检查,a,是否为,2,的整数次方数,#define NOT2POW(a)(a)-1)&(a)|(a)=1;if(j=i)yi=xj;yj=xi;/,用变址后的,y,向量进行计算,for(i=0;iex;i+)t=1i;for(j=0;jlen;j+=t1)for(k=0;kt;k+),ti=-MYPI*k/t;rr=cos(ti);ri=sin(ti);tr=yj+k+t.r;ti=yj+k+t.i;yr=rr*tr-ri*ti;yi=rr*ti+ri*tr;tr=yj+k.r;ti=yj+k.i;,yj+k.r=tr+yr;yj+k.i=ti+yi;,yj+k+t.r=tr-yr;yj+k+t.i=ti-yi;return y;,/,以下为测试,int main()int i,DATA_LEN;my_complex*x,*y;printf(,基二,FFT,测试,n,输入生成序列长度,:);scanf(%d,printf(,处理前,.n,实部,tt,虚部,n);,for(i=0;iDATA_LEN;i+)printf(%lft%lfn,xi.r,xi.i);,y=fft(x,DATA_LEN);if(!y)printf(,序列长度不为,2,的整数次方,!n);return 0;,printf(,处理后,.n,实部,tt,虚部,n);for(i=0;iDATA_LEN;i+)printf(%lft%lfn,yi.r,yi.i);free(y);free(x);,return 0;,7.3 SPWM,正弦逆变算法的设计,PWM,的全称是,Pulse Width Modulation,（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，广泛地用于电动机调速和阀门控制；,SPWM,是在,PWM,的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出，它广泛地用于直流交流逆变器等；,SPWM,理论基础,：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。,实现,SPWM,法的几种方案：,A.,等面积法,该方案是用同样数量,等幅而不等宽,的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成,PWM,信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的；,优点：,可准确计算出各开关器件的通断时刻,所得的波形很接近正弦波；,缺点：,计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制。,用面积法实现,SPWM,正弦波逆变换的程序片段：,void CalcSpwmWithArea(float32 a/*,调制比,*/,Uint16 w_Hz/*,调制频率,*/,Uint32 z_Hz/*,载波频率,*/),/Uint16 tmp_PR;/T1,周期值,volatile Uint16 i,n,*p;,float32 m,n1,n2;,m=z_Hz/w_Hz;/,求出载波比,g_SPWM_Table.SpwmSize=(Uint16)m;,/tmp_PR=g_T1_Clk/(2*z_Hz);/,计算出其周期值,p=g_SPWM_Table.p_HeadTable;/,得到数据表头指针,n=m;m/=2;/,除去一半 计算半波,n1=(float32)g_T1_Clk/(8.0*m*w_Hz);/,计算首相,n2=(float32)g_T2_Clk/(8.0*PI*w_Hz)*a;,for(i=0;in;i+),*p=n1-n2*(cos(i*PI/m)-cos(i+1)*PI/m);p+;,B.,硬件调制法,方案原理：,把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的,PWM,波形,.,用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是,SPWM,波形；,优点：,实现方法简单，可以解决等面积法计算繁琐的缺点；,缺点：,模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。,C.,自然采样法,方案原理：,以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断；,优点：,所得,SPWM,波形最接近正弦波；,缺点：,脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。,D.,规则采样法,方案原理：,用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现,SPWM,法；按照三角波在其顶点或底点的位置不同又分为,对称规则采样,和,非对称规则采样,；,优点：,计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦；,缺点：,直流电压利用率较低,线性控制范围较小。,用对称规则采样实现,SPWM,正弦波逆变换的程序片段：,void CalcSpwmWithSym(float32 a/*,调制比,*/,float32 w_Hz/*,调制频率,*/,float32 z_Hz/*,载波频率,*/),Uint16 tmp_PR;/T1,周期值,volatile Uint16 i,n,*p;,float32 m;,m=z_Hz/w_Hz;/,求出载波比,g_SPWM_Table.SpwmSize=(Uint16)m;,tmp_PR=g_T1_Clk/(2*z_Hz);/,计算出其周期值,p=g_SPWM_Table.p_HeadTable;/,得到数据表头指针,for(i=0;i(Uint16)m;i+),n=tmp_PR*(0.5-0.5*a*sin(i+0.75)*2*PI/m);,*p=n;p+;,用非对称规则采样实现,SPWM,正弦波逆变换的程序片段：,void CalcSpwmWithImSym(float32 a