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第48章 STM32F407的中值滤波器实现，适合噪声和脉冲过滤（支持逐个数据的实时滤波）
本章节讲解中值滤波器实现，适用于噪声和脉冲的过滤。
目录
48.1 初学者重要提示
1、 ARM DSP库没有提供中值滤波器，所以本章的实现是根据中值滤波器原理做了两个函数，一个函数是一块数据的滤波器实现，另一个函数是实时的逐点滤波实现。
48.2 中值滤波器介绍
中值滤波器是一种非线性数字过滤技术，通常用于消除图像或信号中的噪声。中值滤波器在数字图像处理中被广泛使用。在信号处理中也有应用，通过丢弃所有可疑测量结果来抑制脉冲干扰。有几个输入数据，筛选器计算中值值。
48.3 中值滤波器原理
这里我们通过一个实例来理解中值滤波器。比如我们要对如下五个数据求中值：
x = [14 18 16 21 11]
我们将滤波阶数设置为5，即y = medfilt1(x, 5)，表示每5个采样值求一次中值。原理和实现如下：
函数是取x(k-2)，x(k-1), x(k), x(k+1), x(k+2)的中值作为输出y(k)。对于y(1)，只有x(1), x(2), x(3)存在数值，之前的不存在，对于不存在的补0。每5个数按从小到大排列后取中值有：
y(1)的计算是从[0 0 14 16 18]中取中值是14。
y(2)的计算是从[0 14 16 18 21]中取中值是16。
y(3)的计算是从[11 14 16 18 21]中取中值是16。
y(4)的计算是从0 11 16 18 21]中取中值是16。
y(5)的计算是从[0 0 11 16 21]中取中值是11。
48.4 Matlab中值滤波器实现
首先创建两个混合信号，便于更好测试滤波器效果。
混合信号Mix_Signal_1 = 信号Signal_Original_1+白噪声。
混合信号Mix_Signal_2 = 信号Signal_Original_2+白噪声。
Fs = 1000; %采样率 N = 1000; %采样点数 n = 0:N-1; t = 0:1/Fs:1-1/Fs; %时间序列 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点高斯分部白噪声，后500点均匀分布白噪声 Mix_Signal_1 = Signal_Original_1 + Noise_White_1; %构造的混合信号 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); %高斯白噪声 Mix_Signal_2 = Signal_Original_2 + Noise_White_2; %构造的混合信号
滤波代码实现如下：
%****************************************************************************************
%
% 信号Mix_Signal_1 和 Mix_Signal_2 分别作中值滤波
%
%***************************************************************************************
%混合信号 Mix_Signal_1 中值滤波
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 中值滤波后信号
plot(Signal_Filter);
axis([0,1000,-5,5]);
title('中值滤波后的信号');
%混合信号 Mix_Signal_2 中值滤波
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 中值滤波后信号
plot(Signal_Filter);
axis([0,1000,-10,30]);
title('中值滤波后的信号');
Matlab运行效果：
48.5 中值滤波器设计
本章的实现是根据中值滤波器原理做了两个函数，一个函数是一块数据的滤波器实现，另一个函数是实时的逐点滤波实现。
48.5.1 函数MidFilterBlock
函数原型：
void MidFilter(float32_t *pSrc, float32_t *pDst, uint32_t blockSize, uint32_t order)
函数描述：
这个函数用于一段数据的中值滤波。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是目的数据地址。
- 第3个参数是滤波数据个数，至少为2。
- 第4个参数是滤波阶数，至少为2。
48.5.2 函数MidFilterRT
函数定义如下：
void MidFilterRT(float32_t *pSrc, float32_t *pDst, uint8_t ucFlag, uint32_t order)
函数描述：
这个函数用于逐个数据的实时滤波。
函数参数：
- 第1个参数是源数据地址。
- 第2个参数是目的数据地址。
- 第3个参数设置为1表示首次滤波，后面继续滤波，需将其设置为0。
- 第4个参数是滤波阶数，至少为2。
48.5.3 宏定义设置 (重要)
用到两个宏定义，大家根据自己的应用进行设置：
#define TEST_LENGTH_SAMPLES 1024 /* 采样点数 */
#define MidFilterOrder 16 /* 滤波阶数 */
第1个宏定义：采样点数用于整块数据滤波，一次性滤波的点数。
第2个宏定义：设置滤波阶数。
48.5.4 整块数据中值滤波测试
适用于分段数据滤波，测试波形是由原始信号+高斯白噪声+均匀白噪声。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: MidFilterBlockTest
* 功能说明: 整块数据滤波测试
* 形 参: 无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
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]);
}
}
滤波器效果，红色是原始波形，杏黄色是滤波后效果：
48.5.5 逐个数据中值滤波测试 (支持实时滤波)
适用于逐个数据的实时滤波，测试波形是由原始信号+高斯白噪声+均匀白噪声。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: MidFilterOneByOneTest
* 功能说明: 逐个数据滤波测试
* 形 参: 无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void MidFilterOneByOneTest(void)
{
float32_t *inputF32, *outputF32;
inputF32 = (float32_t *)&testdata[0];
outputF32 = &DstDate[0];
/* 从头开始，先滤第1个数据 */
MidFilterRT(inputF32 , outputF32, 1, MidFilterOrder);
/* 逐次滤波后续数据 */
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]);
}
}
滤波器效果，红色是原始波形，杏黄色是滤波后效果：
48.6 实验例程说明（MDK）
配套例子：
V5-233_中值滤波器实现，适用于噪声和脉冲过滤(支持逐点实时滤波)
实验目的：
- 学习中值滤波器 。
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- K1键按下，整块数据滤波测试。
- K2键按下，逐个数据滤波器测试。
使用AC6注意事项
特别注意附件章节C的问题
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1。
RTT方式打印信息：
程序设计：
系统栈大小分配：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: bsp_Init
* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
/*
STM32F407 HAL 库初始化，此时系统用的还是F407自带的16MHz，HSI时钟:
- 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
- 设置NVIC优先级分组为4。
*/
HAL_Init();
/*
配置系统时钟到168MHz
- 切换使用HSE。
- 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
*/
SystemClock_Config();
/*
Event Recorder：
- 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
- 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章
*/
#if Enable_EventRecorder == 1
/* 初始化EventRecorder并开启 */
EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
EventRecorderStart();
#endif
bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */
bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
bsp_InitLed(); /* 初始化LED */
}
主功能：
主程序实现如下操作：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- K1键按下，整块数据滤波测试。
- K2键按下，逐个数据滤波器测试。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: main
* 功能说明: c程序入口
* 形 参: 无
* 返 回 值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */
uint16_t i;
bsp_Init(); /* 硬件初始化 */
PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */
PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */
bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
/* 进入主程序循环体 */
while (1)
{
bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */
if (bsp_CheckTimer(0)) /* 判断定时器超时时间 */
{
/* 每隔100ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(2); /* 翻转LED的状态 */
}
ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
if (ucKeyCode != KEY_NONE)
{
switch (ucKeyCode)
{
case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下，整块数据滤波测试 */
MidFilterBlockTest();
break;
case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下，逐个数据滤波器测试 */
MidFilterOneByOneTest();
break;
default:
/* 其它的键值不处理 */
break;
}
}
}
}
48.7 实验例程说明（IAR）
配套例子：
V5-233_中值滤波器实现，适用于噪声和脉冲过滤(支持逐点实时滤波)
实验目的：
- 学习中值滤波器 。
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- K1键按下，整块数据滤波测试。
- K2键按下，逐个数据滤波器测试。
使用AC6注意事项
特别注意附件章节C的问题
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1。
RTT方式打印信息：
程序设计：
系统栈大小分配：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: bsp_Init
* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
/*
STM32F407 HAL 库初始化，此时系统用的还是F407自带的16MHz，HSI时钟:
- 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
- 设置NVIC优先级分组为4。
*/
HAL_Init();
/*
配置系统时钟到168MHz
- 切换使用HSE。
- 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
*/
SystemClock_Config();
/*
Event Recorder：
- 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
- 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章
*/
#if Enable_EventRecorder == 1
/* 初始化EventRecorder并开启 */
EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
EventRecorderStart();
#endif
bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */
bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
bsp_InitLed(); /* 初始化LED */
}
主功能：
主程序实现如下操作：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
- K1键按下，整块数据滤波测试。
- K2键按下，逐个数据滤波器测试。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: main
* 功能说明: c程序入口
* 形 参: 无
* 返 回 值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */
uint16_t i;
bsp_Init(); /* 硬件初始化 */
PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */
PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */
bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
/* 进入主程序循环体 */
while (1)
{
bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */
if (bsp_CheckTimer(0)) /* 判断定时器超时时间 */
{
/* 每隔100ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(2); /* 翻转LED的状态 */
}
ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
if (ucKeyCode != KEY_NONE)
{
switch (ucKeyCode)
{
case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下，整块数据滤波测试 */
MidFilterBlockTest();
break;
case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下，逐个数据滤波器测试 */
MidFilterOneByOneTest();
break;
default:
/* 其它的键值不处理 */
break;
}
}
}
}
48.8 总结
本章节主要讲解了中值滤波器的实现，非常时候噪声滤除场景。
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