如何对IO口进行高效滤波？

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey

ID ：emOsprey

相信很多道友都有对输入IO 口进行滤波的需求，比如按键输入、红外对管输入等。这里鱼鹰就以按键为例介绍如何进行较为高效的滤波。

我们以为接入单片机引脚的按键按下后（并弹起）电平变化应该是这样的：

实际上却是这样的：

首先思考一个问题，如果没有进行滤波，会有什么问题？

一次按下过程可能被认为多次按下，因为按下后有抖动过程，这个过程电平并不稳定，导致单片机在很短的时间内多次检测到低电平状态。这样一来，本来只按下了一次，程序却认为按下了多次，这对按键功能会产生影响。

如果将按键引脚设置为外部中断触发，那么在极短的时间内CPU将多次进入中断，影响中断的性能（所以对于非数字接口，即没有稳定的高低电平的接口，如果不需要非常高的实时性，那么鱼鹰不建议设置为外部中断触发方式）。

那么我们该如何进行处理呢？

很自然的，因为按下过程中有抖动期，我们就会想办法跳过抖动时间，然后再检测电平变化，所以，V0.1 版本就应运而生，这也是郭天祥老师告诉我们初学者最简单易懂的方式：

V0.1

typedef enum {    KEY_LEVEL_DOWN,  // 假设低电平为按下    KEY_LEVEL_UP,    }KeyLevelTypedef;
KeyLevelTypedef get_key_level(){    return (KeyLevelTypedef)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0); }
// V0.1void key_scan(){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机    if(get_key_level() == KEY_LEVEL_DOWN)    {        HAL_Delay(20); // 假设抖动时间 20 ms        if(get_key_level() == KEY_LEVEL_DOWN)        {            key_flag = 1;// 按键按下标志位        }    } }

对于初学者而言，这段代码简单易懂，但是对于工作多年的人来说，这种方式效率极其低下。

有可能你会说，如果使用操作系统，当延时函数使用系统延时，那么这段时间就可以切换到其他任务进行处理，而不会浪费CPU使其空转了。但是如果这个任务本身功能比较复杂，那么这种处理会严重影响其他功能的执行，所以这种代码应该不会出现在工作多年的工程师手中。

那么是否有更高效的方式呢？

有，就是记录前后两次电平的变化，通过比较两次电平是否相等来确定电平是否稳定（这个方式在《延时功能进化论(合集)》有做简单介绍）。

V1.0

typedef enum {    KEY_STATE_IDLE,     // 按键空闲    KEY_STATE_DOWN,     // 按键按下    KEY_STATE_FINISH,   // 按键处理完成（由应用程序设置） }KeyStateTypedef;
KeyStateTypedef key_state;KeyLevelTypedef key_last_level; // 上次电平状态
// V1.0// 函数调用周期 20 ms（如何实现应该不需要再说明了吧）void key_scan(){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机    KeyLevelTypedef temp; // 可不可以不使用这个中间变量？        temp = get_key_level();    if(temp != key_last_level){        key_last_level = temp;        return;    }    // 当运行到这里，说明电平已经稳定下来了    if(temp == KEY_LEVEL_DOWN){        if(key_state == KEY_STATE_IDLE){            // 确保曾经释放过按键，这样可以保证在按下时不会不停设置该标志位             key_state = KEY_STATE_DOWN;// 按键按下标志位        }    }     else{        if(key_state == KEY_STATE_FINISH){ // 防止多线程情况下同时修改                    key_state = KEY_STATE_IDLE; // 释放按键        }    }}

在这里，使用了两个全局变量，一个是 key_state，一个是 key_last_level。

前者共三种状态，这是为了防止按键扫描和按键处理程序不是顺序执行而设定的。当你按下按键后，保证按键处理程序必然可以得到按下状态，同时只有释放了按键之后才可以更改状态位，然后才能再次触发。

这样可以保证按键扫描和按键处理得以顺序执行（这里面的关系需要考虑清楚，否则的就会写出有 BUG 的程序）。

而后者只在本函数使用，所以不存在使用风险（前提是没有多个任务同时调用该函数，否则照样有风险）。

可以看到该代码没有任何延时函数，简单、高效，当然这里有一个前提，那就是该函数的调用周期必须大于抖动时间，但是也别太长，否则实时性不好。

假设抖动期时间为 20 ms，实现 20 ms 的调用周期有很多种方法：

1、中断定时器定时调用

2、软件定时器调用（需操作系统）

3、线程内周期执行该函数（需操作系统）

4、使用鱼鹰介绍的方式（《延时功能进化论之V2.5~V2.7（鱼鹰强烈建议）》）

我们再次看这个图：

如果我们使用 V1.0 的方式，我们就会发现，当程序运行在抖动期，因为函数调用的时间大于抖动时间，那么程序总是可以得到稳定后的状态。

比如空闲状态下（key_last_level为高电平），突然按下按键，假设在抖动中期程序检测到高电平，那么20 ms 后检测的是低电平，显然这是不相等的（key_last_level更新为低电平），那么程序就会执行下一次，下一次即40 ms 后检测肯定是低电平（如果不是，说明电平不稳定），此时电平相等，即可认为电平稳定了。

而如果在抖动中期程序检测到低电平，那么20 ms 后检测的应该还是低电平，那么程序认为此时电平已经稳定了，那也没有问题，因为它已经跳过了抖动期。

V2.0

如果说，滤波只有按键这种抖动的话，那么上述方式应该算很不错了，但有时对IO滤波的需求比较复杂，那么上述方式只可参考，不可直接拿来对任何 IO 进行滤波。

而且很多时候，程序需要定时检测多个 IO 的电平状态，当电平发生变化时，我们能及时通知应用层，而且只在电平发生变化时才进行通知。但与此同时我们需要在电平稳定之后才通知，而不是变化后马上进行通知，否则可能在电平抖动时多次通知。

所以针对这种需求，我们需要设计一个更加通用一些的滤波函数，能应对所有数字 IO 的滤波（包括按键）。

其实按键滤波已经包含了滤波思想，只是不够通用，需要进一步改进。

typedef enum {    LEVEL_LOW,  //    LEVEL_HIGH,    }LevelTypedef;
typedef struct {    uint32_t     last_time;  // 上次时间         LevelTypedef last_level; // 上次电平状态}FilterParaTypedef;
// V2.0// para 滤波变量，level 当前检测电平状态， time 当前时间戳，单位 1 ms, stable_time希望电平稳定的时间uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机        if(level != para->last_level){        para->last_level = level; // 更新当前电平状态        para->last_time  = time;  // 更新电平变化的时刻        return 0; // 电平未稳定    }        if(time - para->last_time > stable_time){ // 这两个条件可以放在一起进行 && 判断吗？        return 1;  // 需要上报    }    return 0; // 电平稳定时间不够长}

这个代码的思想就是，当电平不稳定时，更新当前时间戳，一旦电平不再变化，并且持续的时间够长（这个时间由用户决定），那么返回 1 表示电平已经稳定了（这个函数没有调用周期限制，调用周期不同，会产生一些影响，这个和滤波时间精度有关）。

这个代码看起来挺简单的，也好像没啥问题，但实际上是存在问题的。

看到那个稳定时间判断条件了吗？如果下次继续执行这个函数，那么程序依然返回 1，所以它总是会在稳定后不停的返回 1（判断条件总是成立），这样一来，这个函数并不能实现电平变化后才进行通知，也就是说调用者无法通过返回值直接决定下一步动作。

可能你会说，如果在返回 1 之前先更新一下时间戳呢？看过鱼鹰之前笔记的应该知道，这种方式会周期性返回 1，即如果希望电平稳定时间为 10 ms，那么在电平稳定后，每隔 10 ms 返回 1，这是我们不希望看到的。

那么有没有什么解决办法呢？当然。

因为我们只希望在变化之后再稳定时才返回1，即我们既希望短暂电平变化并不返回1，而那些长时间稳定的电平能在稳定时间阈值之后返回1，又希望在稳定之后只返回一次1，之后电平变化后如果再次稳定才返回1。

有点绕口，看图好了：

因为目前判断条件总是返回1，所以我们需要增加限制条件，让它不总是返回1。

简单的办法是，增加一个变量，用于记录上次的稳定后的电平，比如这样：

typedef enum {    LEVEL_LOW,  //    LEVEL_HIGH,    }LevelTypedef;
typedef struct {    uint32_t     last_time;  // 上次时间         LevelTypedef last_level; // 上次电平状态    LevelTypedef last_stable_level; // 上次稳定的电平状态 }FilterParaTypedef;
// V2.0// para 滤波变量，level 当前检测电平状态， time 当前时间戳，单位 1 ms, stable_time希望电平稳定的时间uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机        if(level != para->last_level){        para->last_level = level; // 更新当前电平状态        para->last_time  = time;  // 更新电平变化的时刻        return 0; // 电平未稳定    }        if(time - para->last_time > stable_time){ // 这两个条件可以放在一起进行 && 判断吗？        if(level != para->last_stable_level)        { // 电平稳定时间够长且电平发生了变化            para->last_stable_level = level;            return 1;  // 需要上报         }    }        return 0; // 电平稳定时间不够长}

这样一来，下一次继续执行时，就不会再次返回1了。

但是以上代码其实是有一个隐含问题的，那就是如果两次长时间电平之间有一个短时间的不同电平存在，那么也只会上报一次，即返回一次1，即如下情况：

如果说这是你想要的效果，那么恭喜你，你不用更改代码；但如果这不是你想要的结果，那这个代码就存在BUG，毕竟变化的时间虽然短，但还是变化了的嘛（这个问题稍后讨论）。

还有一个问题，看过鱼鹰以前笔记的人都知道，这种计时方式是存在问题的，因为如果你的电平稳定时间很长，长到四字节计时器溢出了，那么就可能出问题。

不过在这里，即使出现溢出，也没关系，结果是一样的，因为如果电平稳定时间很长了，那么肯定已经上报过一次了，后面肯定也不需要再次上报了。

V2.5

V2.0方式确实很高效，但是为了只在变化时上报一次，就要增加一个变量还是很不爽的，如果说鱼鹰没有找到好的方式，那么鱼鹰会采用的，但凑巧的是，鱼鹰想到了更好的方式，不需要增加这个变量也能达到效果。

一个用于计时，一个用于记录上次电平，这两个变量肯定是不可或缺的。但是如果你仔细思考一下，就会发现，所谓的记录上次电平，其实是在变化时就被快速更改了的，它记录的是实时电平变化，而计时是在变化后更新时间戳，稳定时判断稳定时间，如果我们把计时顺序换一下，会如何呢？

即，稳定时更新时间戳，变化时判断稳定时间，而记录电平的变量只记录已稳定的电平，会怎么样？

typedef struct {    uint32_t     last_time;  // 上次时间         LevelTypedef last_stable_level; // 上次稳定的电平状态 }FilterParaTypedef;
// V2.5// para 滤波变量，level 当前检测电平状态， time 当前时间戳，单位 1 ms, stable_time希望电平稳定的时间uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机        if(level != para->last_stable_level){        if(time - para->last_time > stable_time)        {            para->last_stable_level = level; // 如果这次电平稳定时间足够长，那么记录这次稳定的电平            return 1; // 上报        }         return 0; // 不上报,同时不更新时间戳（稳定时间不够）    }
    para->last_time  = time;  // 不断更新电平稳定时间，保存电平稳定时的时间戳     return 0; // 不上报}

上面的代码比V2.0简单了许多，但也稍微难理解，但如果你仿真测试一番，其实也容易理解。

测试代码（rt_tick_get() 函数用于获取当前时间，单位 ms）：

FilterParaTypedef  FilterPara;
void task(void *parameter){    while(1)    {        LevelTypedef temp = (LevelTypedef)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0);        if(filter(&FilterPara, temp, rt_tick_get(), 100))        {            rt_kprintf("stable level is %u\n",temp);        }                rt_thread_delay(5);      }              }

当你修改PB0电平时，可得到如下测试结果：

在这个例子中，要求电平稳定时间20 ms，而线程的执行周期为 5 ms，即电平采样率为5 ms，当你的手速点击足够快时（如果不够快，可以加长 20 ms），那么应该不会有任何打印信息输出。

需要注意的是，采样率比较关键，如果电平变化快，而采样率设置的不合适，那么不能完全反应外界引脚电平的变化，这个和“香农定理”有关，超出鱼鹰的范围，就不多说了。

V3.0

有的时候需求可能要求只需要稳定一个高电平或者低电平才上报，其他时候不上报，那么该如何修改V2.5的代码呢？

上报时加入限制条件即可，如下所示：

// V3.0// para 滤波变量，level 当前检测电平状态， time 当前时间戳，单位 1 ms, stable_time希望电平稳定的时间uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机        if(level != para->last_stable_level){        if(time - para->last_time > stable_time)        {            para->last_stable_level = level; // 如果这次电平稳定时间足够长，那么记录这次稳定的电平            if(level == LEVEL_HIGH)  // LEVEL_HIGH 可以作为 para 的成员变量参数传入，方便适应其他电平             {                return 1; // 上报            }         }         return 0; // 不上报,同时不更新时间戳（稳定时间不够）    }
    para->last_time  = time;  // 不断更新电平稳定时间，保存电平稳定时的时间戳     return 0; // 不上报}

这样一来，只会在高电平稳定时才会进行上报，而低电平却不会上报。但是这种方式同样有一个隐藏限制，那就是低电平必须能稳定一段时间，否则下次高电平无法上报，照样有 V2.0 的限制，如何打破这种限制呢？

V3.1

如果我们的需求是，变化后高电平稳定时上报一次，如果之后存在低电平，然后又变为高电平，并且稳定了，那么希望也能上报，那该如何处理呢？

代码如下：

// V3.1// para 滤波变量，level 当前检测电平状态， time 当前时间戳，单位 1 ms, stable_time希望电平稳定的时间uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机        if(level != para->last_stable_level){        if(level != LEVEL_HIGH)  // LEVEL_HIGH 可以作为 para 的成员变量参数传入，方便适应其他电平        {            para->last_stable_level = level; // 快速切换状态            // para->last_time  = time; // 是否有必要同时更新时间戳呢？        }        else if(time - para->last_time > stable_time)        {            para->last_stable_level = level; // 如果这次电平稳定时间足够长，那么记录这次稳定的电平            if(level == LEVEL_HIGH)  // LEVEL_HIGH 可以作为 para 的成员变量参数传入，方便适应其他电平             {                return 1; // 上报            }         }         return 0; // 不上报,同时不更新时间戳（稳定时间不够）    }
    para->last_time  = time;  // 不断更新电平稳定时间，保存电平稳定时的时间戳     return 0; // 不上报}

V3.2

为了让这个滤波代码（事实上已经不仅仅承担滤波功能，同时承担了变化并稳定后上报功能）更加通用，可以这样设计：

typedef enum {    LEVEL_LOW,  //    LEVEL_HIGH,    }LevelTypedef;
typedef struct {    uint32_t     last_time;  // 上次时间         LevelTypedef last_stable_level; // 上次稳定的电平状态    LevelTypedef filter_level; // 希望滤波的电平}FilterParaTypedef;
// V3.2// para 滤波变量，level 当前检测电平状态， time 当前时间戳，单位 1 ms, stable_time希望电平稳定的时间uint8_t filter(FilterParaTypedef *para, LevelTypedef level, uint32_t time, uint32_t stable_time){ // 欢迎关注：鱼鹰谈单片机        if(level != para->last_stable_level){        if(level != para->filter_level)  // LEVEL_HIGH 可以作为 para 的成员变量参数传入，方便适应其他电平        {            para->last_stable_level = level; // 快速切换状态            // para->last_time  = time; // 是否有必要同时更新时间戳呢？        }        else if(time - para->last_time > stable_time)        {            para->last_stable_level = level; // 如果这次电平稳定时间足够长，那么记录这次稳定的电平            if(level == para->filter_level)  // LEVEL_HIGH 可以作为 para 的成员变量参数传入，方便适应其他电平             {                return 1; // 上报            }         }         return 0; // 不上报,同时不更新时间戳（稳定时间不够）    }
    para->last_time  = time;  // 不断更新电平稳定时间，保存电平稳定时的时间戳     return 0; // 不上报}

因为函数没有全局变量，所以可以认为它是一个可重入函数（前提是传入的参数指针地址不同），可放心使用。

以上就是鱼鹰能想到的比较高效的滤波方式，可以参考借鉴一番。当然，如果你有更好的方式，不如留言交流。

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