【单片机】实现一个简单的ADC滤波器

实现一个 ADC的滤波器，PT1 滤波器（也称为一阶低通滤波器），用于对输入信号进行滤波处理。

typedef struct PT1FilterSettings PT1FilterSettings;
struct PT1FilterSettings
{
 //! last Filter output value
 uint32_t filtValOld;
 
 //! Tn..FilterTimeConstant, Ts...Sampletime, F Faktor =2^F
 uint32_t filtConst1; //! (Ts+Tn)*F in 2^n
 uint32_t filtConst2; //! Ts*F
 uint32_t filtConst3; //! Tn*F
 uint8_t filtFactor; 	//! 2^F
};

/*************************************************************************************************/
/*! \brief   PT1 filter for all channels, setting are used from the observers
 \param   uint16_t uiSignalFiltIn ... input value
					PT1FilterSettings *filterSettings ... filter instance of observer
 \return  uint16_t filtert value
 \callgraph -
 **************************************************************************************************/
uint16_t pt1Filter(uint16_t uiSignalFiltIn, PT1FilterSettings *filterSettings)
{ 
  // -------- info ----------------
  // 32Bit PT1 Filter (Euler Forward)

  uint32_t signalFiltOut;


  // ------ Filter initialization to first signal sample ----
  if (!filterSettings->filtValOld)  
  {
    filterSettings->filtValOld = (uint32_t)uiSignalFiltIn << filterSettings->filtFactor; //load first value
  }
  
  signalFiltOut  = (uint32_t)uiSignalFiltIn << filterSettings->filtFactor; 	//scale value with factor
  signalFiltOut  = (filterSettings->filtConst2*signalFiltOut); 							//multiply with sample time
	signalFiltOut  = signalFiltOut + (filterSettings->filtConst3*filterSettings->filtValOld); //add old value multiplied with the time constant
  signalFiltOut >>= filterSettings->filtConst1;															//scale down the sum 
  filterSettings->filtValOld = signalFiltOut;																//save value for next sample

  return (signalFiltOut >> filterSettings->filtFactor);											//return value devided by the factor
}

下面逐行解释这段代码的功能和工作原理。

函数定义

uint16_t pt1Filter(uint16_t uiSignalFiltIn, PT1FilterSettings *filterSettings)

• 参数：

  • uiSignalFiltIn：输入信号，类型为 uint16_t（16 位无符号整数）。
  • filterSettings：指向 PT1FilterSettings 结构体的指针，包含滤波器的设置参数。

• 返回值：返回滤波后的信号，类型为 uint16_t。

代码解析

uint32_t signalFiltOut;

• 定义一个 32 位无符号整数 signalFiltOut，用于存储滤波后的信号。

滤波器初始化

if (!filterSettings->filtValOld)  
{
    filterSettings->filtValOld = (uint32_t)uiSignalFiltIn << filterSettings->filtFactor; //load first value
}

• 检查 filtValOld 是否为零（即滤波器是否未初始化）。
• 如果是，则将输入信号左移 filtFactor 位并赋值给 filtValOld，这相当于初始化滤波器的状态。

滤波计算

signalFiltOut  = (uint32_t)uiSignalFiltIn << filterSettings->filtFactor; 	//scale value with factor

• 将输入信号左移 filtFactor 位，进行缩放。

signalFiltOut  = (filterSettings->filtConst2 * signalFiltOut); 							//multiply with sample time

• 将缩放后的信号乘以 filtConst2，通常用于与采样时间相关的计算。

signalFiltOut  = signalFiltOut + (filterSettings->filtConst3 * filterSettings->filtValOld); //add old value multiplied with the time constant

• 将 filtValOld（上一个滤波输出值）乘以 filtConst3，并与当前信号相加。这一部分实现了滤波器的递归特性。

signalFiltOut >>= filterSettings->filtConst1; //scale down the sum 

• 将 signalFiltOut 右移 filtConst1 位，进行缩放，通常用于调整输出信号的范围。

filterSettings->filtValOld = signalFiltOut; //save value for next sample

• 将当前的滤波输出值保存到 filtValOld，以便在下一个采样时使用。

返回值

return (signalFiltOut >> filterSettings->filtFactor); //return value divided by the factor

• 返回滤波后的信号，右移 filtFactor 位以恢复到原始范围。

总结

这段代码实现了一个 PT1 滤波器，使用了简单的递归公式来平滑输入信号。主要步骤包括：

1. 初始化滤波器状态。
2. 对输入信号进行缩放。
3. 结合当前信号和上一个滤波输出值进行加权计算。
4. 更新滤波器状态以备下次使用。
5. 返回滤波后的信号。

这种滤波器常用于信号处理，能够有效去除高频噪声，平滑信号变化。