基于单片机和MATLAB的FIR滤波器设计

标签：FIR 滤波器 数字 仿真 单片机 MATLAB 设计

摘　要： 随着社会经济的进步和科学技术的不断发展，数字滤波器的优势使其广泛应用于不同领域。但是，数字滤波器设计过程中的复杂性对其发展造成了制约。因此，笔者实现了基于单片机和 MATLAB 的滤波器的全新设计方法，并对设计后的滤波器进行仿真和实现验证。结果表明，此种方法所设计的滤波器精准、方便、可靠，能够满足人们的实际使用需求。 关键词： 单片机；MATLAB；FIR 滤波器

0　引言

数字技术不断发展的过程中，数字滤波器备受人们的重视，广泛应用于众多领域，比如自动控制、航空航天、军事等。数字滤波器的可靠性良好，具有较高的精准度和灵活性，但设计传统数字滤波器时复杂度较高，工作过程中的计算量较大，特性调整比较困难，对数字滤波器的发展有所制约。因此，本文设计了基于单片机和 MATLAB 的 FIR 滤波器。

1　数字滤波器的设计思路

滤波器设计过程中，有限冲激响应低通滤波器的采样频率、通带频率以及截止频率分别设置为 1 000 Hz、150Hz、200 Hz。数字滤波器设计过程中方法较多，本文利用MATLAB 和 高 性 能 单 片 机 AT89C52 完 成 设 计 过 程。 通 过MATLAB 的信号处理箱设计滤波器，并实现频谱分析。在单 片机中编写 C 语言，调试成功后通过 Proteus 实现单片机仿真，并观察仿真结果 。数字滤波器的实现原理如图 1 所示。

图 1 中 的 器 件 分 别 为 ADC、DAC 和 单 片 机。ADC 使上级模拟信号向数字信号转变，传送至下一级。本文利用ADC0808 数据收集器，其为 CMOS 型号单片集成电路，具备八位模拟数字转换器、微控制器逻辑单元和八通道复用器。八通道复用器能够直接访问八个模拟信号中的任意一个模拟信号 。DAC 能够通过单片机得到滤波数字信号，并将滤波数字信号转变成模拟信号，传输至下一级。利用单片机进行 信号滤波，通过 DAC 输入滤波后结果。本文利用 ATMEL 公司 8 位 FLASH 单片机系列中的 AT89C52，其属于低电压、低功耗、高性能的八位单片机。

2　基于 MATLAB 的数字滤波器设计

数字滤波器划分为有限长和无限长的冲激响应滤波器 。数字滤波器中的滤波输出、输入值没有关系，计算方法为：    其中， u ( KT ) 指滤波器输出值， u ( KT - kt ) 指输出过去值， b i 为滤波器系数。 将MATLAB打开，新创建madl文件，添加FDAtool后进行双击，从而打开滤波器分析和设计工具。点击选项页，选择Lowpass，利用选项页选择FIR，设置Filter order为9，利用Options 选择Hamming，设置Fs为1000，设置Fe为200。点击Design Filter 控件，显示滤波器特征图，如图 2 所示。

数字滤波器的界面主要包括特性区和 Design Filter 两部分。界面上半部分指特性区，能够充分展现滤波器的特性；界面下半部分指 Design Filter，主要目的是设置滤波器参数。 第一，滤波器类型选项。其也可以称之为 ResoponseType，主要包括低通、高通、带阻、带通以及特殊 FIR 滤波器。第二，设计方法选项。其指 Design Method，主要包括最小乘方法、椭圆滤波器和窗函数法等。第三，滤波器阶数选项。其表示 Filter Order，主要目的是定义滤波器的阶数，主要包括指定介数、最小阶数。第四，Frenquency Specifications 选项。其主要功能是定义频带参数，主要包括采样频率和截止频率。使用窗函数实现滤波器设计的过程中，过滤带具备窗函数阶数积累性，只需设计通带截止频率，不需定义阻带参数。第五，Magnitude Specificationgs 选项。其能够定义幅值衰减情况。窗函数设计过程中，截止频率赋值衰减设置为 6 dB 时不需进行定义。

3　数字滤波器的仿真

通过 Simulink 中的仿真功能进行仿真，并验证实际效果。在新建文件夹中设置两个正弦信号发生模块，频率设置为 2Hz 和 300 Hz，之后添加加法模块和示波器模块，实现使滤波器仿真模型，如图 3 所示。 点击 Start 开始仿真，仿真结果如图4所示。图 4（a）是频率为 2 Hz 的波形，图4（b）是频率为 300 Hz 波形，图4（c）为两个滤波叠加后波形，图 4（d）为滤波后的波形。 本文设计的数字滤波器能够实现 300 Hz 波形的消除，并保存了频率为 2 Hz 的波形，满足设计需求。

4　结　语

通过本文分析可知，使用单片机和 MATLAB 语言能够方便、快捷设计数字滤波器。在版本不断提高的过程中，MATLAB 在数字滤波器技术中将会发挥更大作用。传统数字滤波器设计方法以模拟原型滤波器为基础，实现数字离散化。传统设计方法存在部分问题，但基于 MATLAB 语言实现滤 波器设计能够解决相应问题。其具有丰富的设计函数，能够以数字滤波器的指标为基础寻找合适的函数，并通过直接调用工具箱实现编辑。因此，本文所设计的数字滤波器能够满足实际需求。

标签：FIR,滤波器,数字,仿真,单片机,MATLAB,设计
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