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

實際上卻是這樣的：

首先思考一個問題，如果沒有進行濾波，會有什么問題？一次按下過程可能被認為多次按下，因為按下后有抖動過程，這個過程電平并不穩定，導致單片機在很短的時間內多次檢測到低電平狀態。這樣一來，本來只按下了一次，程序卻認為按下了多次，這對按鍵功能會產生影響。如果將按鍵引腳設置為外部中斷觸發，那么在極短的時間內CPU將多次進入中斷，影響中斷的性能（所以對于非數字接口，即沒有穩定的高低電平的接口，如果不需要非常高的實時性，那么魚鷹不建議設置為外部中斷觸發方式）。那么我們該如何進行處理呢？很自然的，因為按下過程中有抖動期，我們就會想辦法跳過抖動時間，然后再檢測電平變化，所以，V0.1 版本就應運而生，這也是郭天祥老師告訴我們初學者最簡單易懂的方式：V0.1

typedef enum { KEY_LEVEL_DOWN， // 假設低電平為按下 KEY_LEVEL_UP， }KeyLevelTypedef; KeyLevelTypedef get_key_level（）{ return （KeyLevelTypedef）HAL_GPIO_ReadPin（GPIOB， GPIO_PIN_0）; } // V0.1void key_scan（）{ // 歡迎關注：魚鷹談單片機 if（get_key_level（） == KEY_LEVEL_DOWN） { HAL_Delay（20）; // 假設抖動時間 20 ms if（get_key_level（） == KEY_LEVEL_DOWN） { key_flag = 1;// 按鍵按下標志位 } } }對于初學者而言，這段代碼簡單易懂，但是對于工作多年的人來說，這種方式效率極其低下。有可能你會說，如果使用操作系統，當延時函數使用系統延時，那么這段時間就可以切換到其他任務進行處理，而不會浪費CPU使其空轉了。但是如果這個任務本身功能比較復雜，那么這種處理會嚴重影響其他功能的執行，所以這種代碼應該不會出現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定（這個方式在《延時功能進化論（合集）》有做簡單介紹）。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（由應用程序設置） }KeyStateTypedef; KeyStateTypedef key_state;KeyLevelTypedef key_last_level; // 上次電平狀態 // V1.0// 函數調用周期 20 ms（如何實現應該不需要再說明了吧）void key_scan（）{ // 歡迎關注：魚鷹談單片機 KeyLevelTypedef temp; // 可不可以不使用這個中間變量？ temp = get_key_level（）; if（temp ！= key_last_level）{ key_last_level = temp; return; } // 當運行到這里，說明電平已經穩定下來了 if（temp == KEY_LEVEL_DOWN）{if（key_state == KEY_STATE_IDLE）{ // 確保曾經釋放過按鍵，這樣可以保證在按下時不會不停設置該標志位 key_state = KEY_STATE_DOWN;// 按鍵按下標志位 } } else{ if（key_state == KEY_STATE_FINISH）{ // 防止多線程情況下同時修改 key_state = KEY_STATE_IDLE; // 釋放按鍵 } }}在這里，使用了兩個全局變量，一個是 key_state，一個是 key_last_level。前者共三種狀態，這是為了防止按鍵掃描和按鍵處理程序不是順序執行而設定的。當你按下按鍵后，保證按鍵處理程序必然可以得到按下狀態，同時只有釋放了按鍵之后才可以更改狀態位，然后才能再次觸發。這樣可以保證按鍵掃描和按鍵處理得以順序執行（這里面的關系需要考慮清楚，否則的就會寫出有 BUG 的程序）。而后者只在本函數使用，所以不存在使用風險（前提是沒有多個任務同時調用該函數，否則照樣有風險）。可以看到該代碼沒有任何延時函數，簡單、高效，當然這里有一個前提，那就是該函數的調用周期必須大于抖動時間，但是也別太長，否則實時性不好。假設抖動期時間為 20 ms，實現 20 ms 的調用周期有很多種方法：1、中斷定時器定時調用2、軟件定時器調用（需操作系統）3、線程內周期執行該函數（需操作系統）4、使用魚鷹介紹的方式（《延時功能進化論之V2.5~V2.7（魚鷹強烈建議）》）我們再次看這個圖：

如果我們使用 V1.0 的方式，我們就會發現，當程序運行在抖動期，因為函數調用的時間大于抖動時間，那么程序總是可以得到穩定后的狀態。比如空閑狀態下（key_last_level為高電平），突然按下按鍵，假設在抖動中期程序檢測到高電平，那么20 ms 后檢測的是低電平，顯然這是不相等的（key_last_level更新為低電平），那么程序就會執行下一次，下一次即40 ms 后檢測肯定是低電平（如果不是，說明電平不穩定），此時電平相等，即可認為電平穩定了。而如果在抖動中期程序檢測到低電平，那么20 ms 后檢測的應該還是低電平，那么程序認為此時電平已經穩定了，那也沒有問題，因為它已經跳過了抖動期。V2.0如果說，濾波只有按鍵這種抖動的話，那么上述方式應該算很不錯了，但有時對IO濾波的需求比較復雜，那么上述方式只可參考，不可直接拿來對任何 IO 進行濾波。而且很多時候，程序需要定時檢測多個 IO 的電平狀態，當電平發生變化時，我們能及時通知應用層，而且只在電平發生變化時才進行通知。但與此同時我們需要在電平穩定之后才通知，而不是變化后馬上進行通知，否則可能在電平抖動時多次通知。所以針對這種需求，我們需要設計一個更加通用一些的濾波函數，能應對所有數字 IO 的濾波（包括按鍵）。其實按鍵濾波已經包含了濾波思想，只是不夠通用，需要進一步改進。

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

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間 LevelTypedef last_level; // 上次電平狀態}FilterParaTypedef;

// V2.0// para 濾波變量，level 當前檢測電平狀態， time 當前時間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩定的時間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關注：魚鷹談單片機 if（level ！= para-》last_level）{ para-》last_level = level; // 更新當前電平狀態 para-》last_time = time; // 更新電平變化的時刻 return 0; // 電平未穩定 } if（time - para-》last_time 》 stable_time）{ // 這兩個條件可以放在一起進行 && 判斷嗎？ return 1; // 需要上報 } return 0; // 電平穩定時間不夠長}

這個代碼的思想就是，當電平不穩定時，更新當前時間戳，一旦電平不再變化，并且持續的時間夠長（這個時間由用戶決定），那么返回 1 表示電平已經穩定了（這個函數沒有調用周期限制，調用周期不同，會產生一些影響，這個和濾波時間精度有關）。這個代碼看起來挺簡單的，也好像沒啥問題，但實際上是存在問題的。看到那個穩定時間判斷條件了嗎？如果下次繼續執行這個函數，那么程序依然返回 1，所以它總是會在穩定后不停的返回 1（判斷條件總是成立），這樣一來，這個函數并不能實現電平變化后才進行通知，也就是說調用者無法通過返回值直接決定下一步動作。可能你會說，如果在返回 1 之前先更新一下時間戳呢？看過魚鷹之前筆記的應該知道，這種方式會周期性返回 1，即如果希望電平穩定時間為 10 ms，那么在電平穩定后，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？當然。因為我們只希望在變化之后再穩定時才返回1，即我們既希望短暫電平變化并不返回1，而那些長時間穩定的電平能在穩定時間閾值之后返回1，又希望在穩定之后只返回一次1，之后電平變化后如果再次穩定才返回1。有點繞口，看圖好了：

因為目前判斷條件總是返回1，所以我們需要增加限制條件，讓它不總是返回1。簡單的辦法是，增加一個變量，用于記錄上次的穩定后的電平，比如這樣：

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

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間 LevelTypedef last_level; // 上次電平狀態 LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩定的電平狀態 }FilterParaTypedef;

// V2.0// para 濾波變量，level 當前檢測電平狀態， time 當前時間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩定的時間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關注：魚鷹談單片機 if（level ！= para-》last_level）{ para-》last_level = level; // 更新當前電平狀態 para-》last_time = time; // 更新電平變化的時刻 return 0; // 電平未穩定 } if（time - para-》last_time 》 stable_time）{ // 這兩個條件可以放在一起進行 && 判斷嗎？ if（level ！= para-》last_stable_level） { // 電平穩定時間夠長且電平發生了變化 para-》last_stable_level = level; return 1; // 需要上報 } } return 0; // 電平穩定時間不夠長}

這樣一來，下一次繼續執行時，就不會再次返回1了。但是以上代碼其實是有一個隱含問題的，那就是如果兩次長時間電平之間有一個短時間的不同電平存在，那么也只會上報一次，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果，那這個代碼就存在BUG，畢竟變化的時間雖然短，但還是變化了的嘛（這個問題稍后討論）。還有一個問題，看過魚鷹以前筆記的人都知道，這種計時方式是存在問題的，因為如果你的電平穩定時間很長，長到四字節計時器溢出了，那么就可能出問題。不過在這里，即使出現溢出，也沒關系，結果是一樣的，因為如果電平穩定時間很長了，那么肯定已經上報過一次了，后面肯定也不需要再次上報了。V2.5V2.0方式確實很高效，但是為了只在變化時上報一次，就要增加一個變量還是很不爽的，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，不需要增加這個變量也能達到效果。一個用于計時，一個用于記錄上次電平，這兩個變量肯定是不可或缺的。但是如果你仔細思考一下，就會發現，所謂的記錄上次電平，其實是在變化時就被快速更改了的，它記錄的是實時電平變化，而計時是在變化后更新時間戳，穩定時判斷穩定時間，如果我們把計時順序換一下，會如何呢？即，穩定時更新時間戳，變化時判斷穩定時間，而記錄電平的變量只記錄已穩定的電平，會怎么樣？

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間 LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩定的電平狀態 }FilterParaTypedef;

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

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩定時間，保存電平穩定時的時間戳 return 0; // 不上報}

上面的代碼比V2.0簡單了許多，但也稍微難理解，但如果你仿真測試一番，其實也容易理解。測試代碼（rt_tick_get（） 函數用于獲取當前時間，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）; } }

當你修改PB0電平時，可得到如下測試結果：

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

// V3.0// para 濾波變量，level 當前檢測電平狀態， time 當前時間戳，單位 1 ms， stable_time希望電平穩定的時間uint8_t filter（FilterParaTypedef *para， LevelTypedef level， uint32_t time， uint32_t stable_time）{ // 歡迎關注：魚鷹談單片機 if（level ！= para-》last_stable_level）{ if（time - para-》last_time 》 stable_time） { para-》last_stable_level = level; // 如果這次電平穩定時間足夠長，那么記錄這次穩定的電平 if（level == LEVEL_HIGH） // LEVEL_HIGH 可以作為 para 的成員變量參數傳入，方便適應其他電平 { return 1; // 上報 } } return 0; // 不上報，同時不更新時間戳（穩定時間不夠） }

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩定時間，保存電平穩定時的時間戳 return 0; // 不上報}

這樣一來，只會在高電平穩定時才會進行上報，而低電平卻不會上報。但是這種方式同樣有一個隱藏限制，那就是低電平必須能穩定一段時間，否則下次高電平無法上報，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，變化后高電平穩定時上報一次，如果之后存在低電平，然后又變為高電平，并且穩定了，那么希望也能上報，那該如何處理呢？

代碼如下：

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

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩定時間，保存電平穩定時的時間戳 return 0; // 不上報}

V3.2為了讓這個濾波代碼（事實上已經不僅僅承擔濾波功能，同時承擔了變化并穩定后上報功能）更加通用，可以這樣設計：

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

typedef struct { uint32_t last_time; // 上次時間 LevelTypedef last_stable_level; // 上次穩定的電平狀態 LevelTypedef filter_level; // 希望濾波的電平}FilterParaTypedef;

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

para-》last_time = time; // 不斷更新電平穩定時間，保存電平穩定時的時間戳 return 0; // 不上報}

因為函數沒有全局變量，所以可以認為它是一個可重入函數（前提是傳入的參數指針地址不同），可放心使用。
責任編輯:pj