计算机控制课程设计数字滤波.doc

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1、 信息工程课程设计报告书课 程 名 称 计算机控制技术课程设计课程设计总评成绩 学生姓名、学 号 学 生 专 业 班级 自动化1092 指 导 教 师 姓名 课程设计起止日期 2012/1/72012/1/13 课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课

2、程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证

3、主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际

4、技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。一、课程设计项目名称 数字滤波系统设计 二、项目设计目的及技术要求 初始条件：1用计算机模拟带有干扰的正弦信号R（频率

5、100Hz）。首先计算机产生一个随机信号，再与正弦信号叠加。2计算机对含有干扰的正弦信号进行数字滤波处理，保留正弦信号，去除干扰。3输入为模拟电压，输入模拟电压范围为0+5V，最后滤波的结果用LED显示器显示。要求完成的主要任务：1）分析数字滤波的常用方法，以及各自的优缺点； 2）采用一阶惯性滤波器算法，设计算法程序； 3）在显示器上显示滤波前与滤波后的信号曲线； 4）通过数据分析采样周期T对滤波效果的影响； 5）撰写设计说明书。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图) 3.1分析数字滤波的常用方法下面给出几种常用的作为参考，并进行比较。（1）限幅滤波法

6、（又称程序判断滤波法） A、方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值 B、优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。 C、缺点：无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。（2）中位值滤波法 A、方法：连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。 B、优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。C、缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。（3）算术平均滤波法 A、方法：连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信

7、号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4 B、优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。 C、缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。（4）递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） A、方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N

8、=412；温度，N=14 B、优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统。 C、缺点：灵敏度低 ，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM（5）中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法） A、方法：相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。N值的选取：314 B、优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理。 B、优点：融合了两种滤波法的优

9、点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。 C、缺点：比较浪费RAM。（7）一阶滞后滤波法 A、方法：取a=01，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果。 B、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。 C、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。（8）加权递推平均滤波法 A、方法：是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权。通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。 B、优点：适用于有较大纯滞后时间常数

10、的对象和采样周期较短的系统。 C、缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。3.2 硬件电路设计3.2.1 主控电路ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。并且内部自带8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC 。图1 主控电路图3.2.2 数模转换DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D

11、A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图2 数模转换电路图3.3 程序设计 3.3.1设计思路常用的RC滤波器的传递函数 其中Tf=RC,它的滤波效果取决于滤波时间常数Tf。因此，RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，人们模仿上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。即将上式写成差分方程稍加整理得其中，称为滤波系数，且01，Ts为采样周期，Tf为滤波器时间常数。 根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数越大，则带宽越窄，滤波频率也越低。因此，需要根据实际情况，适

12、当选取值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反应又不太迟缓。3.3.2 一阶惯性滤波器算法设计低通滤算法程序和加权平均滤波相似，但加权系统只有两个：a和1-a，因为只有两项，a和1-a均以立即数的形式编入程序中，不另设表格。虽然采样值为单元字节，为保证运算精度，滤波输出值用双字节表示，其中一字节整数，一字节小数，否则有可能因为每次舍去尾数而使输出不会变化。低通滤波的程序如下：/为加快程序处理速度，假定基数为100，/a=0100#define a 50char value;char filter_6()char new_value;new_value=get_data();return(100-

13、a)*value+a*new_value;一阶低通滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波，其不足之处是带来了相位滞后，灵敏度低。滞后的程度取决于a值的大小。同时，它不能滤除频率高于采样频率1/2（奈奎斯特频率）的干扰信号，对于高于奈奎斯特频率的干扰信号，应该采用模拟滤波器。四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）改变一阶惯性滤波器算法的采样个数，运行后得到以下输出波形。 图3 改变采样个数后的波形（N=10）图4 改变采样个数后的波形（N=30）图5 改变采样个数后的波形（N=60）通过以上

14、波形可以得出，改变采样个数，的确会对滤波器的输出产生影响。在前期，随着N的增加，滤波效果会越来越明显，这也正表明其适用于采样周期较短的系统；但这一并不意味着N的取值尽可能大，如果N的取值偏大会对输出造成负面的影响，使波形发生不必要的失真，使信号不能迅速反应系统当前所受的干扰程度，不能较好的实现滤波效果，并且增加了计算量，反而得不偿失。五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：文献出版社，出版年；文献内容摘要, 每篇不少于100字）1于海生.计算机控制技术北京机械工业出版社2007摘要：工业控制是计算机的一个重要领域，计算机控制正是为了适应这个领域的需要而

15、发展起来的一个专业技术，它主要研究将计算机，通信技术和自动控制理论应运于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。计算机控制技术是我国高等学校各类自动化，电力与电气，计算机应用，机体一体化等专业的主干专业课程。2冯博琴，吴宁微型计算机原理与借口技术北京清华大学出版社2007摘要：本书以Intel80x86系列微处理器作为平台，介绍了8088，80386，Pentium4的基本结构和工作原理。同时对包括微处理器，总线技术，存储器系统等内容进行调整与补充，使其更能反映当前微机领域的新进展与技术。3张晋格计算机控制原理与应用 北京电子工业出版社 1995摘要：本书以计算机在系统控制中的应用为中心

16、,以计算机控制系统为主线,涉及控制系统硬件、软件、系统分析和应用等方面的问题,其实践性和应用性较强。4于海生等微型计算机控制技术.北京清华大学出版社1999摘要：计算机控制系统在工业过程中的应用越来越普及，要求从事过程控制的工程技术人员必须掌握计算机控制技术的相关理论基础、控制策略、数据通讯、网络技术、硬件以及软件等诸多方面的专门知识与技术。5何克忠，李伟计算机控制技术北京清华大学出版社1998摘要：计算机控制技术课程被许多高校的信息学科自动化、计算机应用、电子信息及电气工程等专业列为一门专业必修课。为了能让学生在学习理论知识的过程中对计算机控制系统的组成、结构及功能有更加清晰的认识和更加深入的理解，配合一些与课程进度相适应的实验，是十分必要的手段。 课程设计评分表评 分 项 目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（30分）3项目工艺水平及测试性能达到技术要求（25分）4参考文摘不少于5篇（10分）5答辩（25分）总 分（100分）答辩记录：指导教师综合评语：指导教师（签名） 日 期： 年 月 日