相信很多道友都有對(duì)輸入IO 口進(jìn)行濾波的需求，比如按鍵輸入、紅外對(duì)管輸入等。這里魚鷹就以按鍵為例介紹如何進(jìn)行較為高效的濾波。我們以為接入單片機(jī)引腳的按鍵按下后（并彈起）電平變化應(yīng)該是這樣的：

實(shí)際上卻是這樣的：

首先思考一個(gè)問題，如果沒有進(jìn)行濾波，會(huì)有什么問題？一次按下過程可能被認(rèn)為多次按下，因?yàn)榘聪潞笥卸秳?dòng)過程，這個(gè)過程電平并不穩(wěn)定，導(dǎo)致單片機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)多次檢測(cè)到低電平狀態(tài)。這樣一來，本來只按下了一次，程序卻認(rèn)為按下了多次，這對(duì)按鍵功能會(huì)產(chǎn)生影響。如果將按鍵引腳設(shè)置為外部中斷觸發(fā)，那么在極短的時(shí)間內(nèi)CPU將多次進(jìn)入中斷，影響中斷的性能（所以對(duì)于非數(shù)字接口，即沒有穩(wěn)定的高低電平的接口，如果不需要非常高的實(shí)時(shí)性，那么魚鷹不建議設(shè)置為外部中斷觸發(fā)方式）。那么我們?cè)撊绾芜M(jìn)行處理呢？很自然的，因?yàn)榘聪逻^程中有抖動(dòng)期，我們就會(huì)想辦法跳過抖動(dòng)時(shí)間，然后再檢測(cè)電平變化，所以，V0.1 版本就應(yīng)運(yùn)而生，這也是郭天祥老師告訴我們初學(xué)者最簡(jiǎn)單易懂的方式：V0.1

typedef enum { KEY_LEVEL_DOWN， // 假設(shè)低電平為按下 KEY_LEVEL_UP， }KeyLevelTypedef; KeyLevelTypedef get_key_level（）{ return （KeyLevelTypedef）HAL_GPIO_ReadPin（GPIOB， GPIO_PIN_0）; } // V0.1void key_scan（）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（get_key_level（） == KEY_LEVEL_DOWN） { HAL_Delay（20）; // 假設(shè)抖動(dòng)時(shí)間 20 ms if（get_key_level（） == KEY_LEVEL_DOWN） { key_flag = 1;// 按鍵按下標(biāo)志位 } } }對(duì)于初學(xué)者而言，這段代碼簡(jiǎn)單易懂，但是對(duì)于工作多年的人來說，這種方式效率極其低下。有可能你會(huì)說，如果使用操作系統(tǒng)，當(dāng)延時(shí)函數(shù)使用系統(tǒng)延時(shí)，那么這段時(shí)間就可以切換到其他任務(wù)進(jìn)行處理，而不會(huì)浪費(fèi)CPU使其空轉(zhuǎn)了。但是如果這個(gè)任務(wù)本身功能比較復(fù)雜，那么這種處理會(huì)嚴(yán)重影響其他功能的執(zhí)行，所以這種代碼應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)在工作多年的工程師手中。那么是否有更高效的方式呢？有，就是記錄前后兩次電平的變化，通過比較兩次電平是否相等來確定電平是否穩(wěn)定（這個(gè)方式在《延時(shí)功能進(jìn)化論（合集）》有做簡(jiǎn)單介紹）。V1.0

typedef enum { KEY_STATE_IDLE， // 按鍵空閑 KEY_STATE_DOWN， // 按鍵按下 KEY_STATE_FINISH， // 按鍵處理完成（由應(yīng)用程序設(shè)置） }KeyStateTypedef; KeyStateTypedef key_state;KeyLevelTypedef key_last_level; // 上次電平狀態(tài) // V1.0// 函數(shù)調(diào)用周期 20 ms（如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)該不需要再說明了吧）void key_scan（）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) KeyLevelTypedef temp; // 可不可以不使用這個(gè)中間變量？ temp = get_key_level（）; if（temp ！= key_last_level）{ key_last_level = temp; return; } // 當(dāng)運(yùn)行到這里，說明電平已經(jīng)穩(wěn)定下來了 if（temp == KEY_LEVEL_DOWN）{if（key_state == KEY_STATE_IDLE）{ // 確保曾經(jīng)釋放過按鍵，這樣可以保證在按下時(shí)不會(huì)不停設(shè)置該標(biāo)志位 key_state = KEY_STATE_DOWN;// 按鍵按下標(biāo)志位 } } else{ if（key_state == KEY_STATE_FINISH）{ // 防止多線程情況下同時(shí)修改 key_state = KEY_STATE_IDLE; // 釋放按鍵 } }}在這里，使用了兩個(gè)全局變量，一個(gè)是 key_state，一個(gè)是 key_last_level。前者共三種狀態(tài)，這是為了防止按鍵掃描和按鍵處理程序不是順序執(zhí)行而設(shè)定的。當(dāng)你按下按鍵后，保證按鍵處理程序必然可以得到按下狀態(tài)，同時(shí)只有釋放了按鍵之后才可以更改狀態(tài)位，然后才能再次觸發(fā)。這樣可以保證按鍵掃描和按鍵處理得以順序執(zhí)行（這里面的關(guān)系需要考慮清楚，否則的就會(huì)寫出有 BUG 的程序）。而后者只在本函數(shù)使用，所以不存在使用風(fēng)險(xiǎn)（前提是沒有多個(gè)任務(wù)同時(shí)調(diào)用該函數(shù)，否則照樣有風(fēng)險(xiǎn)）?？梢钥吹皆摯a沒有任何延時(shí)函數(shù)，簡(jiǎn)單、高效，當(dāng)然這里有一個(gè)前提，那就是該函數(shù)的調(diào)用周期必須大于抖動(dòng)時(shí)間，但是也別太長(zhǎng)，否則實(shí)時(shí)性不好。假設(shè)抖動(dòng)期時(shí)間為 20 ms，實(shí)現(xiàn) 20 ms 的調(diào)用周期有很多種方法：1、中斷定時(shí)器定時(shí)調(diào)用2、軟件定時(shí)器調(diào)用（需操作系統(tǒng)）3、線程內(nèi)周期執(zhí)行該函數(shù)（需操作系統(tǒng)）4、使用魚鷹介紹的方式（《延時(shí)功能進(jìn)化論之V2.5~V2.7（魚鷹強(qiáng)烈建議）》）我們?cè)俅慰催@個(gè)圖：

如果我們使用 V1.0 的方式，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)程序運(yùn)行在抖動(dòng)期，因?yàn)楹瘮?shù)調(diào)用的時(shí)間大于抖動(dòng)時(shí)間，那么程序總是可以得到穩(wěn)定后的狀態(tài)。比如空閑狀態(tài)下（key_last_level為高電平），突然按下按鍵，假設(shè)在抖動(dòng)中期程序檢測(cè)到高電平，那么20 ms 后檢測(cè)的是低電平，顯然這是不相等的（key_last_level更新為低電平），那么程序就會(huì)執(zhí)行下一次，下一次即40 ms 后檢測(cè)肯定是低電平（如果不是，說明電平不穩(wěn)定），此時(shí)電平相等，即可認(rèn)為電平穩(wěn)定了。而如果在抖動(dòng)中期程序檢測(cè)到低電平，那么20 ms 后檢測(cè)的應(yīng)該還是低電平，那么程序認(rèn)為此時(shí)電平已經(jīng)穩(wěn)定了，那也沒有問題，因?yàn)樗呀?jīng)跳過了抖動(dòng)期。V2.0如果說，濾波只有按鍵這種抖動(dòng)的話，那么上述方式應(yīng)該算很不錯(cuò)了，但有時(shí)對(duì)IO濾波的需求比較復(fù)雜，那么上述方式只可參考，不可直接拿來對(duì)任何 IO 進(jìn)行濾波。而且很多時(shí)候，程序需要定時(shí)檢測(cè)多個(gè) IO 的電平狀態(tài)，當(dāng)電平發(fā)生變化時(shí)，我們能及時(shí)通知應(yīng)用層，而且只在電平發(fā)生變化時(shí)才進(jìn)行通知。但與此同時(shí)我們需要在電平穩(wěn)定之后才通知，而不是變化后馬上進(jìn)行通知，否則可能在電平抖動(dòng)時(shí)多次通知。所以針對(duì)這種需求，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)更加通用一些的濾波函數(shù)，能應(yīng)對(duì)所有數(shù)字 IO 的濾波（包括按鍵）。其實(shí)按鍵濾波已經(jīng)包含了濾波思想，只是不夠通用，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

typedef enum { LEVEL_LOW， // LEVEL_HIGH， }LevelTypedef;

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時(shí)間 LevelTypedef last_level; // 上次電平狀態(tài)}FilterParaTypedef;

// V2.0// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測(cè)電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時(shí)間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩(wěn)定的時(shí)間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（level ！= para-》last_level）{ para-》last_level = level; // 更新當(dāng)前電平狀態(tài) para-》last_time = time; // 更新電平變化的時(shí)刻 return 0; // 電平未穩(wěn)定 } if（time - para-》last_time 》 stable_time）{ // 這兩個(gè)條件可以放在一起進(jìn)行 && 判斷嗎？ return 1; // 需要上報(bào) } return 0; // 電平穩(wěn)定時(shí)間不夠長(zhǎng)}

這個(gè)代碼的思想就是，當(dāng)電平不穩(wěn)定時(shí)，更新當(dāng)前時(shí)間戳，一旦電平不再變化，并且持續(xù)的時(shí)間夠長(zhǎng)（這個(gè)時(shí)間由用戶決定），那么返回 1 表示電平已經(jīng)穩(wěn)定了（這個(gè)函數(shù)沒有調(diào)用周期限制，調(diào)用周期不同，會(huì)產(chǎn)生一些影響，這個(gè)和濾波時(shí)間精度有關(guān)）。這個(gè)代碼看起來挺簡(jiǎn)單的，也好像沒啥問題，但實(shí)際上是存在問題的。看到那個(gè)穩(wěn)定時(shí)間判斷條件了嗎？如果下次繼續(xù)執(zhí)行這個(gè)函數(shù)，那么程序依然返回 1，所以它總是會(huì)在穩(wěn)定后不停的返回 1（判斷條件總是成立），這樣一來，這個(gè)函數(shù)并不能實(shí)現(xiàn)電平變化后才進(jìn)行通知，也就是說調(diào)用者無法通過返回值直接決定下一步動(dòng)作。可能你會(huì)說，如果在返回 1 之前先更新一下時(shí)間戳呢？看過魚鷹之前筆記的應(yīng)該知道，這種方式會(huì)周期性返回 1，即如果希望電平穩(wěn)定時(shí)間為 10 ms，那么在電平穩(wěn)定后，每隔 10 ms 返回 1，這是我們不希望看到的。那么有沒有什么解決辦法呢？當(dāng)然。因?yàn)槲覀冎幌Ｍ谧兓笤俜€(wěn)定時(shí)才返回1，即我們既希望短暫電平變化并不返回1，而那些長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的電平能在穩(wěn)定時(shí)間閾值之后返回1，又希望在穩(wěn)定之后只返回一次1，之后電平變化后如果再次穩(wěn)定才返回1。有點(diǎn)繞口，看圖好了：

因?yàn)槟壳芭袛鄺l件總是返回1，所以我們需要增加限制條件，讓它不總是返回1。簡(jiǎn)單的辦法是，增加一個(gè)變量，用于記錄上次的穩(wěn)定后的電平，比如這樣：

typedef enum { LEVEL_LOW， // LEVEL_HIGH， }LevelTypedef;

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時(shí)間 LevelTypedef last_level; // 上次電平狀態(tài) LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩(wěn)定的電平狀態(tài) }FilterParaTypedef;

// V2.0// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測(cè)電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時(shí)間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩(wěn)定的時(shí)間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（level ！= para-》last_level）{ para-》last_level = level; // 更新當(dāng)前電平狀態(tài) para-》last_time = time; // 更新電平變化的時(shí)刻 return 0; // 電平未穩(wěn)定 } if（time - para-》last_time 》 stable_time）{ // 這兩個(gè)條件可以放在一起進(jìn)行 && 判斷嗎？ if（level ！= para-》last_stable_level） { // 電平穩(wěn)定時(shí)間夠長(zhǎng)且電平發(fā)生了變化 para-》last_stable_level = level; return 1; // 需要上報(bào) } } return 0; // 電平穩(wěn)定時(shí)間不夠長(zhǎng)}

這樣一來，下一次繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，就不會(huì)再次返回1了。但是以上代碼其實(shí)是有一個(gè)隱含問題的，那就是如果兩次長(zhǎng)時(shí)間電平之間有一個(gè)短時(shí)間的不同電平存在，那么也只會(huì)上報(bào)一次，即返回一次1，即如下情況：

如果說這是你想要的效果，那么恭喜你，你不用更改代碼；但如果這不是你想要的結(jié)果，那這個(gè)代碼就存在BUG，畢竟變化的時(shí)間雖然短，但還是變化了的嘛（這個(gè)問題稍后討論）。還有一個(gè)問題，看過魚鷹以前筆記的人都知道，這種計(jì)時(shí)方式是存在問題的，因?yàn)槿绻愕碾娖椒€(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)，長(zhǎng)到四字節(jié)計(jì)時(shí)器溢出了，那么就可能出問題。不過在這里，即使出現(xiàn)溢出，也沒關(guān)系，結(jié)果是一樣的，因?yàn)槿绻娖椒€(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)了，那么肯定已經(jīng)上報(bào)過一次了，后面肯定也不需要再次上報(bào)了。V2.5V2.0方式確實(shí)很高效，但是為了只在變化時(shí)上報(bào)一次，就要增加一個(gè)變量還是很不爽的，如果說魚鷹沒有找到好的方式，那么魚鷹會(huì)采用的，但湊巧的是，魚鷹想到了更好的方式，不需要增加這個(gè)變量也能達(dá)到效果。一個(gè)用于計(jì)時(shí)，一個(gè)用于記錄上次電平，這兩個(gè)變量肯定是不可或缺的。但是如果你仔細(xì)思考一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，所謂的記錄上次電平，其實(shí)是在變化時(shí)就被快速更改了的，它記錄的是實(shí)時(shí)電平變化，而計(jì)時(shí)是在變化后更新時(shí)間戳，穩(wěn)定時(shí)判斷穩(wěn)定時(shí)間，如果我們把計(jì)時(shí)順序換一下，會(huì)如何呢？即，穩(wěn)定時(shí)更新時(shí)間戳，變化時(shí)判斷穩(wěn)定時(shí)間，而記錄電平的變量只記錄已穩(wěn)定的電平，會(huì)怎么樣？

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時(shí)間 LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩(wěn)定的電平狀態(tài) }FilterParaTypedef;

// V2.5// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測(cè)電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時(shí)間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩(wěn)定的時(shí)間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（level ！= para-》last_stable_level）{ if（time - para-》last_time 》 stable_time） { para-》last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 return 1; // 上報(bào) } return 0; // 不上報(bào)，同時(shí)不更新時(shí)間戳（穩(wěn)定時(shí)間不夠） }

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時(shí)間，保存電平穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間戳 return 0; // 不上報(bào)}

上面的代碼比V2.0簡(jiǎn)單了許多，但也稍微難理解，但如果你仿真測(cè)試一番，其實(shí)也容易理解。測(cè)試代碼（rt_tick_get（） 函數(shù)用于獲取當(dāng)前時(shí)間，單位 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

”，temp）; } rt_thread_delay（5）; } }

當(dāng)你修改PB0電平時(shí)，可得到如下測(cè)試結(jié)果：

在這個(gè)例子中，要求電平穩(wěn)定時(shí)間20 ms，而線程的執(zhí)行周期為 5 ms，即電平采樣率為5 ms，當(dāng)你的手速點(diǎn)擊足夠快時(shí)（如果不夠快，可以加長(zhǎng) 20 ms），那么應(yīng)該不會(huì)有任何打印信息輸出。需要注意的是，采樣率比較關(guān)鍵，如果電平變化快，而采樣率設(shè)置的不合適，那么不能完全反應(yīng)外界引腳電平的變化，這個(gè)和“香農(nóng)定理”有關(guān)，超出魚鷹的范圍，就不多說了。V3.0有的時(shí)候需求可能要求只需要穩(wěn)定一個(gè)高電平或者低電平才上報(bào)，其他時(shí)候不上報(bào)，那么該如何修改V2.5的代碼呢？上報(bào)時(shí)加入限制條件即可，如下所示：

// V3.0// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測(cè)電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時(shí)間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩(wěn)定的時(shí)間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（level ！= para-》last_stable_level）{ if（time - para-》last_time 》 stable_time） { para-》last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 if（level == LEVEL_HIGH） // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { return 1; // 上報(bào) } } return 0; // 不上報(bào)，同時(shí)不更新時(shí)間戳（穩(wěn)定時(shí)間不夠） }

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時(shí)間，保存電平穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間戳 return 0; // 不上報(bào)}

這樣一來，只會(huì)在高電平穩(wěn)定時(shí)才會(huì)進(jìn)行上報(bào)，而低電平卻不會(huì)上報(bào)。但是這種方式同樣有一個(gè)隱藏限制，那就是低電平必須能穩(wěn)定一段時(shí)間，否則下次高電平無法上報(bào)，照樣有 V2.0 的限制，如何打破這種限制呢？V3.1如果我們的需求是，變化后高電平穩(wěn)定時(shí)上報(bào)一次，如果之后存在低電平，然后又變?yōu)楦唠娖剑⑶曳€(wěn)定了，那么希望也能上報(bào)，那該如何處理呢？

代碼如下：

// V3.1// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測(cè)電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時(shí)間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩(wěn)定的時(shí)間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（level ！= para-》last_stable_level）{ if（level ！= LEVEL_HIGH） // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { para-》last_stable_level = level; // 快速切換狀態(tài) // para-》last_time = time; // 是否有必要同時(shí)更新時(shí)間戳呢？ } else if（time - para-》last_time 》 stable_time） { para-》last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 if（level == LEVEL_HIGH） // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { return 1; // 上報(bào) } } return 0; // 不上報(bào)，同時(shí)不更新時(shí)間戳（穩(wěn)定時(shí)間不夠） }

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時(shí)間，保存電平穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間戳 return 0; // 不上報(bào)}

V3.2為了讓這個(gè)濾波代碼（事實(shí)上已經(jīng)不僅僅承擔(dān)濾波功能，同時(shí)承擔(dān)了變化并穩(wěn)定后上報(bào)功能）更加通用，可以這樣設(shè)計(jì)：

typedef enum { LEVEL_LOW， // LEVEL_HIGH， }LevelTypedef;

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時(shí)間 LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩(wěn)定的電平狀態(tài) LevelTypedef filter_level; // 希望濾波的電平}FilterParaTypedef;

// V3.2// para 濾波變量，level 當(dāng)前檢測(cè)電平狀態(tài)， time 當(dāng)前時(shí)間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩(wěn)定的時(shí)間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關(guān)注：魚鷹談單片機(jī) if（level ！= para-》last_stable_level）{ if（level ！= para-》filter_level） // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { para-》last_stable_level = level; // 快速切換狀態(tài) // para-》last_time = time; // 是否有必要同時(shí)更新時(shí)間戳呢？ } else if（time - para-》last_time 》 stable_time） { para-》last_stable_level = level; // 如果這次電平穩(wěn)定時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么記錄這次穩(wěn)定的電平 if（level == para-》filter_level） // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數(shù)傳入，方便適應(yīng)其他電平 { return 1; // 上報(bào) } } return 0; // 不上報(bào)，同時(shí)不更新時(shí)間戳（穩(wěn)定時(shí)間不夠） }

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩(wěn)定時(shí)間，保存電平穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間戳 return 0; // 不上報(bào)}

因?yàn)楹瘮?shù)沒有全局變量，所以可以認(rèn)為它是一個(gè)可重入函數(shù)（前提是傳入的參數(shù)指針地址不同），可放心使用。
責(zé)任編輯:pj