4、信号预处理——滤波去噪：硬件RC滤波设计、软件滑动平均滤波、中值滤波实现
各位同学，咱们接着聊。上一节我们把轮速传感器的原始信号调理成了方波，但说实话，那个方波还远不够干净。你想想看，车轮在路面上跑，颠簸、电磁干扰、传感器本身的抖动，都会在信号上叠加一堆噪声。
这节我们就来解决这个问题——滤波去噪。我个人的经验是，滤波做不好，后面ABS算法写得再漂亮也是白搭。曾经有个项目，轮速信号在低速时频繁跳变，查了三天，最后发现是RC滤波的截止频率选高了，高频噪声全漏进来了。
滤波这件事，通常分两步走：硬件先粗滤，软件再精滤。咱们一个一个说。
4.1 硬件RC低通滤波——第一道防线
硬件滤波，说白了就是在传感器输出和MCU引脚之间，串一个电阻、并一个电容。结构简单，但效果立竿见影。
为什么用RC低通？因为轮速信号的频率本身不高——乘用车车轮转速最高也就2000rpm左右，对应的齿圈信号频率大概在几百赫兹到几千赫兹。而噪声往往是高频的，比如发动机点火干扰、车载逆变器开关噪声。RC低通正好把高频干掉。
电路长这样：
传感器输出 —— R —— MCU引脚
|
C
|
GND
截止频率的计算公式：
f_c = 1 / (2π × R × C)
举个例子。假设齿圈有48个齿，最高车速对应频率2kHz。我一般会把截止频率设在信号最高频率的3~5倍，也就是6kHz~10kHz。选R=1kΩ，C=22nF，算一下：
f_c = 1 / (2 × 3.14 × 1000 × 22×10^-9) ≈ 7.2kHz
嗯，这个值就挺合适。
4.2 软件滑动平均滤波——简单粗暴但有效
硬件滤波之后，信号已经干净了不少。但MCU引脚上可能还有残留的毛刺，或者因为传感器安装间隙变化导致的微小抖动。这时候就该软件上场了。
滑动平均滤波，是我用得最多的方法。原理很简单：维护一个长度为N的窗口，每次采样一个新值，就丢掉最旧的那个，然后对窗口内所有值求平均。
为什么好用？因为它对周期性噪声有很好的抑制效果，而且实现起来几乎不占CPU。你想想看，ABS系统里轮速信号每秒要采样几千次，如果每个点都做复杂运算，MCU扛不住的。
代码实现：
#define WINDOW_SIZE 8
static uint16_t buffer[WINDOW_SIZE] = {0};
static uint8_t index = 0;
static uint32_t sum = 0;
uint16_t moving_average(uint16_t new_sample)
{
// 减去最旧的值
sum -= buffer[index];
// 存入新值
buffer[index] = new_sample;
// 加上新值
sum += new_sample;
// 更新索引
index = (index + 1) % WINDOW_SIZE;
// 返回平均值
return sum / WINDOW_SIZE;
}
这里有个细节：窗口大小N怎么选？
| 窗口大小 | 平滑效果 | 响应速度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 4 | 一般 | 快 | 高速行驶，需要快速响应 |
| 8 | 较好 | 中等 | 城市道路，常规工况 |
| 16 | 很好 | 慢 | 低速或静止检测 |
我个人习惯在低速时用大窗口，高速时用小窗口。曾经有个项目，我固定用8点平均，结果低速时信号抖动被平滑掉了，但高速时响应慢了半拍，导致ABS介入延迟。后来改成动态调整窗口大小，问题就解决了。
4.3 中值滤波——专治脉冲噪声
滑动平均滤波对高斯噪声效果好，但遇到脉冲噪声——比如一个突然的尖峰——就有点力不从心了。因为平均会把尖峰的影响「摊」到整个窗口里。
这时候中值滤波就派上用场了。它的原理：对窗口内的数据排序，取中间那个值作为输出。
举个例子。原始数据：[100, 102, 98, 500, 101]。500明显是个异常尖峰。滑动平均会输出(100+102+98+500+101)/5=180.2，被拉高了很多。而中值滤波排序后：[98, 100, 101, 102, 500]，取中间值101，完美避开干扰。
代码实现：
#define MEDIAN_WINDOW 5
uint16_t median_filter(uint16_t *buffer, uint8_t len)
{
uint16_t temp[MEDIAN_WINDOW];
uint8_t i, j;
uint16_t tmp;
// 复制数据
for(i = 0; i < len; i++)
temp[i] = buffer[i];
// 冒泡排序（窗口小，够用）
for(i = 0; i < len - 1; i++)
{
for(j = 0; j < len - 1 - i; j++)
{
if(temp[j] > temp[j+1])
{
tmp = temp[j];
temp[j] = temp[j+1];
temp[j+1] = tmp;
}
}
}
// 返回中值
return temp[len / 2];
}
4.4 实际项目中的组合策略
讲到这里，你可能会问：到底用哪种？
我的答案是：组合使用。
在实际的ABS控制器里，信号处理链路通常是这样的：
- 硬件RC滤波：在PCB上直接做，滤掉大部分高频噪声。这是必须的，不能省。
- 软件中值滤波：在MCU中断服务程序里，对ADC采样值做3点中值，干掉脉冲干扰。
- 软件滑动平均：在主循环或定时器里，对中值滤波后的数据做8点滑动平均，进一步平滑。
我曾经在一个项目中，只做了硬件滤波和滑动平均，结果在电磁兼容测试时，辐射干扰导致轮速信号偶尔跳变。后来在中断里加了一级3点中值滤波，问题就再没出现过。
好了，这一节的内容就到这里。滤波去噪是信号处理的基础，做好了，后面的轮速计算和ABS控制才能稳。下一节我们讲轮速的周期测量和速度计算，到时候你会感谢现在把信号滤干净的自己。