基于车辆主控系统的 FIR 数字滤波器的设计实现
摘要：针对车辆主控系统的抗干扰问题，详细介绍了车辆主控系统可采取的软件滤波实现方法。针对各种干扰的不同，利用 MATLAB 软件设计了易于硬件实现的 FIR 数字滤波器。通过调整滤波器参数，循序渐进不断优化 FIR 数字滤波器，达到最优滤波效果，增强了车辆主控系统的运行速度和控制有效性。
关键词：主控系统；MATLAB；FIR；数字滤波器中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0072-02.
现代化汽车越来越朝着自动与智能化方向发展，车辆的控制系统也越加完善，车辆的控制系统需要处理由油门开度传感器、转速传感器、踏板角位移传感器等各个类型传感器输入的信号，车辆主控系统如何抗干扰、如何快速滤除干扰获得目标波形数据成为影响车辆主控系统运行速度和控制有效性的一个主要问题。在模拟信号的传播、A/D 转换的过程中，仅仅使用硬件的方式进行抗干扰滤波已很难满足现代车辆尤其是越野车行驶地形复杂、振动大、干扰多样化的特点。本文将详细介绍软件抗干扰措施里 FIR 滤波器的设计与实现。
1 FIR 滤波器
FIR滤波器有多种实现结构，要在FPGA或其它硬件平台上按所需结构实现满足要求的 FIR 滤波器，关键问题在于设计出 FIR 滤波器各级延时单元的加权系数，或者说是滤波器的单位脉冲响应。因为各种实现结构均是基于滤波器的单位脉冲响应进行设计的。对于一个线性时不变系统，系统的单位脉冲响应也完全可以表示系统各项特征。所以设计 FIR 滤波器的方法包含频率采样法、窗函数法以及等波纹优化设计法等等。
2 FIR 数字滤波器设计方法
窗函数法是一种在时域进行设计的 FIR 数字滤波器的方法，是最简单最普遍的方法。窗函数法的基本思路是先给出要求的理想滤波器频率响应Hd(ejw)，然后设计一个FIR滤波器频率响应 H(ejw) 去逼近 Hd(ejw)。若 Hd(ejw)在频率域内是矩形函数（或门函数），那么它的傅立叶反变换 hd(n)(为函数sinc)一定是无限长的序列，而且也是非因果的。
窗函数法是从时域设计滤波器，当一个有限长序列在满足频率采样定理的条件时，也可以对频谱的有限个采样值准确地恢复原序列。FIR 滤波器频率采样设计法是从频域开始，按照频域采样定理，给定的理想频率响应 Hd(ejw) 进行等时间间隔采样。这种做法是符合严格的采样点的理想特性的，但是不连续点上会出现跌宕起伏，不连续性越大，肩峰和起伏就越大，所以这种方法在工程实际中使用较少[1][2]。
等波纹切比雪夫逼近法使用“最大误差最小”原则来得到最优滤波器。为了寻找解决误差方程的有效方法，已经产生大量相关研究文献及成果。其中使用最普遍最可靠的方法是1973 年提出的 Remez 算法。对于复杂的 Remez 算法，或者对于复杂的最优滤波器设计而言，在 MATLAB 设计中已经有现成的函数可以使用，且使用起来十分方便[3]。
3 计算机软件设计
3.1 常用程序设计法
利用上节介绍的窗函数设计法，我们用fir1 函数可以设计出低通、带通、高通、带阻等多种类型的具有严格线性相位特性的 FIR 滤波器。例如：采用海明窗，分别设计长度为 41（阶数为 40）的低通（截止频率为 200Hz）、高通（截止频率为200Hz）、带通（通带为 200-400Hz）、带阻（阻带为 200-400Hz）FIR 滤波器，采样频率为 2000Hz。程序如图 1，结果见图 2。
图 1 FIR 数字滤波器举例程序
图 2 FIR 滤波器举例程序运行结果
3.2 最优设计法与凯塞窗
最优滤波器设计方法，用到的 MATLAB 函数是 firpm 函数。除了常用的窗函数，还有一种窗函数凯塞窗，凯塞窗具有可调参数项，可根据相关算法，先选择过渡带、波纹参数，并根据这些参数计算出凯塞窗的滤波器阶数及 值。两者设计出的数字滤波器具有相似性。
采用firpm函数设计一个最优滤波器，并利用已知的参数由凯塞窗求出滤波器阶数 n，采用凯塞窗设计一低通滤波器，与之相互对比。例如：过渡带 1000-1500Hz，采样频率为8000Hz，通带波纹为 0.01，阻带波纹为 0.05。程序如图 3。 图 3 最优滤波器与凯塞窗程序举例FIR 滤波器设计成功后，通过串口直接传至 ECU，根据滤波效果进一步调整滤波器参数，这是一个循序渐进不断优化的过程。
参考文献：
[1] 钱同慧.数字信号处理[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2] 张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,1995.
[3] 程佩清.数字信号处理的原理和实现[M].上海:上海交通大学出版社,1998作者简介：孙伟（1969-），男，副教授，博士，主要研究方向为军用车辆论证、仿真与评估技术；赵耀（1991-），男，硕士，研究方向为军用车辆论证、仿真与评估技术。
