電容式接近感應技術在智能手機中的新型應用（二）

數(shù)字濾波

　　接近感應要求控制器能夠檢測到穩(wěn)定的小信號來提高探測距離，因此控制器需要設置足夠長的采樣周期來提高信號幅度，同時也需要設置較低的觸發(fā)閾值來提高靈敏度。靈敏度的提高意味著系統(tǒng)更容易受到噪聲的干擾。因此，為了提高整個系統(tǒng)的信噪比，本文對原始信號依次使用了三種有效的軟件濾波方法：中值濾波、均值濾波和IIR數(shù)字濾波，來濾除噪聲。

　　1.中值濾波器

　　對于瞬間出現(xiàn)的單點或連續(xù)幾點的噪聲，中值濾波器可以很好的進行過濾。圖8為一個三階的中值濾波器。可以看出P3點會在采樣后，被中值濾波器濾掉。在接近感應的實際應用中，由于采樣速率較快往往會出現(xiàn)這樣的噪點，中值濾波器可以很好的進行過濾，同時中值濾波器的輸出信號也會使得后面的均值濾波器以及IIR數(shù)字濾波器的輸入信號更加穩(wěn)定。普通的n階中值濾波器的時間復雜度約等于n*n，所以其階數(shù)不宜過高，應根據(jù)實際的噪聲情況進行合理選擇。

　　圖9對比了實際采集的電容變化信號在使用中值濾波器前后的差異。紅色為使用中值濾波器前的信號，藍色為經(jīng)過中值濾波器（三階）的信號。

　　2.均值濾波器

　　均值濾波器則采用了對一組采樣數(shù)據(jù)取平均值得方法來提高信噪比。均值濾波器會使信號的幅值更加穩(wěn)定，也就會使IIR數(shù)字濾波器的輸入更加穩(wěn)定，相位偏差更小。但均值濾波器階數(shù)的增加會使得接近感應的檢測響應時間增加。圖10對比了信號在使用均值濾波器前后的差異。紅色為使用均值濾波器前的信號，藍色為經(jīng)過均值濾波器（四階）的信號。

3.IIR數(shù)字濾波器

　　IIR數(shù)字濾波器具有反饋，一般認為是無限的脈沖響應。同時IIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度很高，但相位不是線性的。也就是說在使用IIR數(shù)字濾波器的時候會使信號更加平滑，但同時會帶來延時，造成整個系統(tǒng)的實時性有所下降。圖11描述了IIR數(shù)字濾波器的原理。

　　IIR數(shù)字濾波器在接近感應的應用中尤為重要，因為接近感應需要極高的靈敏度，所以信號需要十分的穩(wěn)定和平滑。盡管IIR數(shù)字濾波器會對整個系統(tǒng)的響應造成一些延時，但由于資源的限制，軟件濾波只能采用這種方式。在圖11中，yn = a * yn-1 b * xn，對于系數(shù)a和b的選擇，本文經(jīng)過了大量的數(shù)據(jù)仿真，還在此基礎上使用了Cypress專利，實現(xiàn)了動態(tài)調整系數(shù)a和b，使得整個系統(tǒng)的響應延時得到了明顯的降低。

　　圖12對比了信號在使用IIR數(shù)字濾波器前后的差異。紅色為使用IIR數(shù)字濾波器前的信號，藍色為經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器的信號。從圖中可以明顯地看出，經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器后的信號變得更加平滑，但同時也產(chǎn)生了一定的延時。