【STM32H7的DSP教程】第48章 STM32H7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）

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第48章 STM32H7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。

48.1 初学者重要提示

48.2 中值滤波器介绍

48.3 中值滤波器原理

48.4 Matlab中值滤波器实现

48.5 中值滤波器设计

48.6 实验例程说明（MDK）

48.7 实验例程说明（IAR）

48.8 总结

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
", 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
", 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：

V7-233_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：

RAM空间用的DTCM：

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)
{
    /* 配置MPU */
    MPU_Config();
    
    /* 使能L1 Cache */
    CPU_CACHE_Enable();

    /* 
       STM32H7xx HAL 库初始化，此时系统用的还是H7自带的64MHz，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400MHz
       - 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V7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_InitExtIO();    /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */    
    bsp_InitLed();        /* 初始化LED */    
}

MPU配置和Cache配置：

数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区（本例子未用到AXI SRAM），FMC的扩展IO区。

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: MPU_Config
*    功能说明: 配置MPU
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void MPU_Config( void )
{
    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;

    /* 禁止 MPU */
    HAL_MPU_Disable();

    /* 配置AXI SRAM的MPU属性为关闭读Cache和写Cache */
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x24000000;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_512KB;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_NOT _BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT _CACHEABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER0;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
    
    
    /* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x60000000;
    MPU_InitStruct.Size             = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB;    
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;    
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER1;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
    
    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    /*使能 MPU */
    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: CPU_CACHE_Enable
*    功能说明: 使能L1 Cache
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void CPU_CACHE_Enable(void)
{
    /* 使能 I-Cache */
    SCB_EnableICache();

    /* 使能 D-Cache */
    SCB_EnableDCache();
}

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;
            }
        }

    }
}