兩種基于FPGA的軟件濾波方法

　　1. 3延時(shí)濾波程序仿真

　　分別將開關(guān)信號(hào)din設(shè)置成理想信號(hào)和抖動(dòng)信號(hào)，利用QuartusⅡ8. 0軟件進(jìn)行仿真，圖3和圖4分別為理想信號(hào)和抖動(dòng)信號(hào)的延時(shí)濾波仿真波形圖。

　　圖3理想開關(guān)信號(hào)延時(shí)濾波仿真波形

　　圖4抖動(dòng)開關(guān)信號(hào)延時(shí)濾波仿真波形

　　圖中clk為采樣時(shí)鐘，glrn為復(fù)位信號(hào)，din為開關(guān)輸入信號(hào)，dout為延時(shí)濾波輸出信號(hào)。從圖3可以看出，從開關(guān)信號(hào)發(fā)生變化到輸出發(fā)生變化的時(shí)間延時(shí)為2 ms，從圖4中可以看出，此延時(shí)濾波程序有效消除了扭子開關(guān)的抖動(dòng)干擾，驗(yàn)證了其理論可行性。

　　1. 4延時(shí)濾波程序?qū)嶋H驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證此延時(shí)濾波程序的實(shí)際濾波效果，將其下載到Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片XC3S400中，用示波器多次測(cè)量經(jīng)過(guò)濾波后的開關(guān)信號(hào)，得到圖5所示的輸出信號(hào)波形。圖5中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每格代表10μs，縱坐標(biāo)表示電壓，每格表示1 V.從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)濾波后的開關(guān)信號(hào)不再有抖動(dòng)現(xiàn)象，此延時(shí)濾波程序的實(shí)際可靠性得到驗(yàn)證。

　　圖5延時(shí)濾波后的輸出信號(hào)波形

　　1. 5延時(shí)濾波程序資源占用率

　　在電子電路的設(shè)計(jì)中，FPGA的資源占用率是我們應(yīng)該考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。如果FPGA的資源占用率太大，會(huì)加重FPGA的負(fù)擔(dān)，影響整個(gè)電路的運(yùn)行速度。表1為延時(shí)濾波程序在XC3S400芯片中的資源占用情況。

　　表1延時(shí)濾波程序的資源占用情況

　　1. 6延時(shí)濾波的特點(diǎn)

　　延時(shí)濾波比較適合對(duì)脈沖寬度已知的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣可以更準(zhǔn)確地確定延時(shí)時(shí)間，既不會(huì)因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間太短而導(dǎo)致濾波不理想，又不會(huì)因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。而且，延時(shí)程序不僅可以有效地消除開關(guān)類信號(hào)的抖動(dòng)，還可以濾去干擾、噪音等其他尖峰波，抗干擾強(qiáng)，可靠性高。

　　如果電路中存在多路輸入信號(hào)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到任意一路輸入信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)即執(zhí)行延時(shí)程序，在執(zhí)行延時(shí)程序的過(guò)程中將檢測(cè)不到其他輸入狀態(tài)的變化，所以能夠識(shí)別的動(dòng)作間隔不可能小于延時(shí)時(shí)間T，特別是當(dāng)多路輸入信號(hào)的狀態(tài)集中在短時(shí)間內(nèi)變化時(shí)，電路的性能會(huì)嚴(yán)重下降。并且，由于頻繁執(zhí)行延時(shí)程序，會(huì)影響系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)性。

　　2判決濾波

　　判決濾波是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的濾波方法。在采樣時(shí)鐘CLK的控制下，每隔時(shí)間t對(duì)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行一次采樣，并對(duì)時(shí)間T0內(nèi)采集到的n個(gè)采樣值進(jìn)行判斷( n = T0 /t)，如果這n個(gè)采樣值中高電平‘1’的個(gè)數(shù)百分比大于X，則輸出高電平;相反，如果低電平‘0’的個(gè)數(shù)百分比大于X，則輸出低電平。

　　采用一個(gè)n位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)判決濾波，寄存器各個(gè)位的值依次為采樣得到的n個(gè)采樣值。寄存器的模型如圖6所示。

　　圖6寄存器模型

　　在圖6中，n個(gè)格子分別代表寄存器的n個(gè)位，寄存器左側(cè)的數(shù)據(jù)為已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，寄存器內(nèi)的n個(gè)數(shù)據(jù)為正在處理的數(shù)據(jù)，寄存器右側(cè)的數(shù)據(jù)為即將處理的數(shù)據(jù)。每過(guò)一個(gè)采樣時(shí)間間隔t，數(shù)據(jù)依次向高位滑動(dòng)一位，最低位賦值為輸入信號(hào)當(dāng)前的狀態(tài)值。

　　如上述過(guò)程，寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)在不斷地更新，數(shù)據(jù)每滑動(dòng)一次，即對(duì)n個(gè)采樣值進(jìn)行一次判斷，從而達(dá)到濾波的目的。由于干擾脈沖的隨機(jī)性，采到高電平和低電平的概率是相等的，所以，作為判斷依據(jù)的百分比X不能小于50%.在實(shí)際應(yīng)用中，為了使濾波更可靠，X的取值一般都大于50%.

　　2. 1判決濾波程序設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用一個(gè)9位寄存器( n = 9)，每次判斷時(shí)只要‘1’的個(gè)數(shù)大于或等于5，則濾波輸出‘1’，否則輸出‘0’( X = 5 /9)。圖7為判決濾波程序的流程圖。

　　圖7判決濾波程序流程圖