基于車輛主控系統的IIR數字濾波器的設計實現

趙耀， 孫偉

（裝甲兵工程學院 機械系，北京 100072）

0 引言

現代化汽車越來越朝著自動化、智能化發展，車輛的控制系統也越加完善，車輛的控制系統需要處理由轉速傳感器、油門開度傳感器、踏板角位移傳感器等各個類型傳感器輸入的信號，車輛主控系統如何抗干擾、如何快速濾除干擾獲得目標波形數據成為影響車輛主控系統運行速度和控制有效性的一個主要問題。在模擬信號的傳播、A/D轉換的過程中，僅僅使用硬件的方式進行抗干擾濾波已很難滿足現代車輛尤其是越野車行駛地形復雜、振動大、干擾多樣化的特點。本文將詳細介紹軟件抗干擾措施里IIR濾波器的設計與實現。

1 IIR數字濾波器設計方法

在一般情況下，模擬濾波器都具有無限長單位沖激響應，這與IIR濾波器具有相似性。因此，IIR設計的基本思想是使用映射方法將模擬濾波器變成所需的數字濾波器。該熟知的模擬濾波器映射到所需的數字濾波器的設計。這種方法優點：模擬濾波器設計方法是很成熟的，各種模擬濾波器設計方法和映射表已經一應俱全，設計會簡單、精準。另一種設計方法是軟件輔助設計法，該方法是最優化設計方法中的一個。首先確定一個優化方式，如使所要求的理想的頻率響應幅度|Hd（ejw）|與實際頻率響應幅度|H（ejw）|的最大誤差最小的方法，或均方誤差最小化的方法等等。這種設計方法優點是無限優化能有效濾除并得到想要的數據，缺點是需要大量的迭代，并且沒有固定的閉合響應函數式［1-2］。

2 硬件實現方法

1）可編程邏輯器件。包括CPLD和FPGA，內部邏輯模塊具有非常完整、非常豐富的內部資源，非常適合實現IIR數字濾波器，比較DSP芯片和可編程邏輯器件利弊可知，這種方法的優點是可擴展性和更強大的并行性。

2）單片機。專門用于數字信號區域的數字信號處理芯片，內部預先寫好的大量的DSP功能函數，我們可以容易地調用這些函數來實現各種功能的IIR濾波器。但因為不同的公司和不同的系列，數字信號處理芯片的編程代碼差距很大，延緩了開發速度，以及濾波的速度有很大的關系與芯片的性能。

圖1 IIR數字濾波器部分程序

圖2 IIR數字濾波器部分程序

圖3 FDATOOL工具設計IIR低通濾波器

3）數字集成電路。單片數字集成電路，或者使用多芯片的數字集成電路串聯在一起來實現濾波，我們可以很容易地實現IIR數字濾波器的功能。但是一個單片集成電路缺乏強大的性能，而多芯片集成電路級聯的功耗太高，體積過大，這種方法沒有非常好的前景［3］。

3 計算機軟件設計

在濾波器的實際設計過程，整個計算量是很大的。當濾波器的階是比較高，則有大量的計算量，且在設計過程中更改濾波器種類或參數時需重新計算。

完成濾波器的頻率響應設計時需要重新檢查，以獲得相位頻率振幅頻率響應特性，計算量是很大的。數字濾波器通常時，設計的類型和階數不一定完全確定，它往往是根據濾波效果和目標要求進行不斷調整，以實現優化設計。在這種條件下，濾波器的設計將運行大量復雜的計算，簡單的靠公式運算和通過一個簡單的程序是難以在很短的時間設計成功。采用計算機輔助設計，可以有效和快速地進行設計。

3.1 程序設計法

通常采用的是根據原型轉換法原理實現的四種IIR數字濾波器設計函數：butter（巴特沃斯函數）、cheby1（切比雪夫 I型函數）、cheby2（切比雪夫Ⅱ型函數）、ellip（橢圓濾波器函數）及yulewalk函數。

給定采樣頻率為7000 Hz，通帶截至頻率為800 Hz，阻帶截至頻率為1500 Hz，通帶衰減為3dB，阻帶衰減為60dB。分別采用各個函數設計巴特沃斯濾波器、橢圓濾波器、切比雪夫I型濾波器、切比雪夫II型濾波器和yulewalk濾波器。

該方法可以在程序段調整濾波器參數，試驗部分程序見圖1、圖2，在模擬試驗中，可以通過調整濾波器的參數，找出最適合車輛某部分控制系統的濾波器。

3.2 采用FDATOOL工具設計

FDATOOl（Filter Design&Analysis Tool） 是 專 門MATLAB的信號處理工具箱，它使濾波器的分析和設計具體、靈活、簡便，并且可以使用多種方式設計IIR濾波器。從 MATLAB界面下點 start→Toolboxes→Filter Design→Filter Design&Analysis Tool即可進入。IIR設計時選擇正確的按鈕，以下如圖3所示是FDATOOL工具設計IIR低通濾波器舉例。

可以看出FDATOOL設計濾波器非常方便，另外它還具有以下功能：1）點擊左上角的File→Generate MFile，可以根據你設計的濾波器自動生成程序代碼。2）單擊Targets→ XILINX Coefficient（.COE）File菜單直接生成FPGA所需的濾波器系數配置文件。

IIR濾波器設計成功后，通過串口直接傳至ECU，根據濾波效果進一步調整濾波器參數，這是一個循序漸進不斷優化的過程。

［1］ 張賢達.現代信號處理［M］.北京：清華大學出版社，1995.

［2］ 錢同慧.數字信號處理［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］ 程佩清.數字信號處理的原理和實現［M］.上海：上海交通大學出版社，1998.

（編輯黃 獲）