模拟量处理方式介绍（2）算术平均滤波法

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前言：

在上一篇文章中，我们介绍了一阶滞后滤波法，这篇文章，我们来介绍算术平均滤波法。他们都是模拟量信号处理中，常用的滤波方法之一。这两种方法都可以用来平滑信号，去除噪声和波动，但它们的实现方式和效果略有不同。

算术平均滤波法是一种简单的滤波方法，它通过将一段时间内的多个采样值进行平均来获得滤波后的数值。具体来说，算术平均滤波法将输入信号的若干个连续采样值相加，再除以采样值的个数，得到输出信号的数值。这样做的结果是滤波后的信号比较平滑，但对快速变化的信号响应较慢。

一阶滞后滤波法也是常用的一种滤波方法，它通过使用一个加权系数对当前输入值和上一次输出值进行线性组合来得到滤波后的数值。具体来说，一阶滞后滤波法使用一个较小的权重因子来加权当前的输入值，而上一次的输出值则使用较大的权重因子进行加权。这样做的结果是对快速变化的信号有较快的响应，但输出信号仍然会受到一定程度的噪声影响。

对比来说，算术平均滤波法的优点是简单易实现，并且能够有效地去除随机噪声。然而，它的缺点是对快速变化的信号响应较慢，无法很好地保留信号的快速变化部分。

一阶滞后滤波法相对而言对快速变化的信号有较好的响应，能够较快地跟踪信号的变化，但输出信号仍然会受到一定程度的噪声影响，对于随机噪声的去除效果可能不如算术平均滤波法。

选择使用哪种滤波方法取决于具体的应用场景和需求。如果需要平滑信号并去除随机噪声，可以考虑使用算术平均滤波法；如果需要较快地响应信号的变化，并且可以容忍一定的噪声，可以选择使用一阶滞后滤波法。在实际应用中，也可以根据具体情况采用不同的滤波方法，或者将它们结合起来使用，以达到更好的滤波效果。

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引言：

在现实生活和工程领域中，我们通常会遇到采集到的数据受到噪声或随机干扰的影响，这些噪声会对后续处理和分析产生负面影响。为了减小噪声的影响，滤波技术被广泛应用于数据处理和信号分析领域。其中，算术平均滤波法是一种简单而有效的滤波方法。

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算术平均滤波法原理：

算术平均滤波法的原理非常简单。它通过连续取 N 个采样值并对其进行算术平均运算来得到滤波后的结果。当 N 值较大时，信号的平滑度会增加，但灵敏度会降低。相反，当 N 值较小时，信号的平滑度会降低，但灵敏度会增加。通常情况下，对于一般具有随机干扰的信号，例如温度、湿度选择 N 值为 12 比较合适；对于测量压力等较为敏感的信号，N 值选择为 4。

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算术平均滤波法优缺点：

算术平均滤波法具有以下优点：

• 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。可以有效平滑信号，减小噪声的影响。
• 对信号的平均值有较好的估计，适用于有一个平均值且在一定数值范围上下波动的信号。
• 算术平均滤波法简单易懂，易于实现。

算术平均滤波法也存在一些缺点：

• 不适用于要求实时控制的测量速度较慢的场景，因为需要等待 N 个采样值的累加计算。
• 算术平均滤波法占用的内存较多，特别是在采样次数较大的情况下。
• 算术平均滤波法的速度较慢，特别是在处理大量数据时会增加计算负担。

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算术平均滤波法应用场景：

平滑静态信号：算术平均滤波法可以用来平滑慢速变化的信号，去除信号中的噪声和突变。

信号去噪：对于随机噪声较多的信号，算术平均滤波法可以通过对连续采样值的平均来减小随机噪声对信号的影响，提高信号的质量。

数据采集中的滤波：在数据采集过程中，由于传感器或信号源的干扰，可能会引入噪声或波动。通过使用算术平均滤波法，可以在数据采集端对信号进行实时滤波处理，提高采集的准确性和稳定性。

温度或压力变化检测：在许多实时监测系统中，算术平均滤波法常用于处理温度、压力等变化较缓慢的信号，以得到更平滑的输出结果，避免突变或瞬时波动对系统产生干扰。

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程序案例：

下面是一段使用博图平台编写的算术平均滤波法的示例代码，如果想要应用在实际项目当中，可能需要根据实际情况进行修改：

FUNCTION_BLOCK "02算术平均滤波法"
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
   VAR_INPUT 
      inValue : Real;   // 输入值
      bufferSize : Int := 12;   // 缓冲区大小
   END_VAR

   VAR_OUTPUT 
      filter : LReal;   // 平均值
   END_VAR

   VAR_IN_OUT 
      valueBuffer : Array[*] of Real;   // 值缓冲区
   END_VAR

   VAR 
      bufferIndex : Int;   // 缓冲索引
      i : Int;   // 循环计数
      sum : Real;   // 累加和
   END_VAR


BEGIN
  IF #bufferIndex >= #bufferSize THEN
      #bufferIndex := 0;   // 如果缓冲索引超过缓冲区大小，则将缓冲索引重置为0
  END_IF;
  
  #valueBuffer[#bufferIndex] := #inValue;   // 将输入值存储到缓冲区中对应的位置
  
  #sum := 0;   // 将累加变量sum初始化为0
  
  FOR #i := 0 TO #bufferSize - 1 DO
      #sum := #sum + #valueBuffer[#i];   // 对缓冲区中的值进行累加
  END_FOR;
  
  #filter := #sum / #bufferSize;   // 计算平均值
  #bufferIndex := #bufferIndex + 1;   // 更新缓冲索引
END_FUNCTION_BLOCK

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总结：

算术平均滤波法是一种简单而常用的信号滤波方法。它通过连续取 N 个采样值进行算术平均运算，可以有效地平滑信号并减小噪声的影响。算术平均滤波法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，尤其适用于具有平均值且在一定范围内波动的信号。

特别需要注意的是，算术平均滤波法相对较简单，并且对快速变化和突变信号的响应较为迟缓。因此，在一些需要快速响应信号变化的应用中，可能不适合使用算术平均滤波法。此时，可以考虑其他更适合的滤波方法，如一阶滞后滤波法、中值滤波法或卡尔曼滤波法等。