624 lines
21 KiB
C
624 lines
21 KiB
C
/**
|
||
******************************************************************************
|
||
* @file filters.c
|
||
* @brief Реализация библиотеки фильтров
|
||
******************************************************************************
|
||
*/
|
||
#include "filters.h"
|
||
|
||
#ifdef FILTERS_ENABLE
|
||
|
||
|
||
#define check_init_filter(_filter_) \
|
||
do{ if (filter == NULL) return -1; \
|
||
filter->state = FILTER_NOT_INIT;}while(0);
|
||
|
||
#define check_process_filter(_filter_) \
|
||
do{ if ((filter == NULL) || (filter->state != FILTER_ENABLE)) return input;}while(0);
|
||
|
||
// ==================== FLOAT ВЕРСИИ ====================
|
||
|
||
// Вспомогательная функция для сравнения float
|
||
static int Filter_float_compare(const void *a, const void *b) {
|
||
float fa = *(const float*)a;
|
||
float fb = *(const float*)b;
|
||
if (fa < fb) return -1;
|
||
if (fa > fb) return 1;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация медианного фильтра (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterMedian_Init(FilterMedian_t* filter, uint8_t size, float init_val) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if (size == 0 || size > FILTER_MEDIAN_MAX_SIZE) return -1;
|
||
|
||
for (int i = 0; i < size; i++)
|
||
{
|
||
filter->buffer[i] = init_val;
|
||
}
|
||
filter->index = 0;
|
||
filter->size = size;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterMedian_Init;
|
||
filter->process = &FilterMedian_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения медианным фильтром (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Отфильтрованное значение
|
||
*/
|
||
float FilterMedian_Process(FilterMedian_t* filter, float input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
// Добавляем значение в буфер
|
||
filter->buffer[filter->index] = input;
|
||
filter->index = (filter->index + 1) % filter->size;
|
||
|
||
// Копируем буфер для сортировки
|
||
float sort_buffer[FILTER_MEDIAN_MAX_SIZE];
|
||
memcpy(sort_buffer, filter->buffer, sizeof(sort_buffer));
|
||
|
||
// Сортируем и возвращаем медиану
|
||
qsort(sort_buffer, filter->size, sizeof(float), Filter_float_compare);
|
||
return sort_buffer[filter->size / 2];
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация экспоненциального фильтра (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param alpha Коэффициент сглаживания (0..1)
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterExp_Init(FilterExp_t* filter, float alpha) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
|
||
filter->alpha = alpha;
|
||
filter->value = 0.0f;
|
||
filter->initialized = 0;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterExp_Init;
|
||
filter->process = &FilterExp_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения экспоненциальным фильтром (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Отфильтрованное значение
|
||
*/
|
||
float FilterExp_Process(FilterExp_t* filter, float input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
if (!filter->initialized) {
|
||
filter->value = input;
|
||
filter->initialized = 1;
|
||
return input;
|
||
}
|
||
|
||
filter->value = filter->alpha * input + (1.0f - filter->alpha) * filter->value;
|
||
return filter->value;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация фильтра скользящего среднего (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterAverage_Init(FilterAverage_t* filter, uint32_t size, FilterMode_t mode) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if (size == 0 || size > FILTER_AVERAGE_MAX_SIZE) return -1;
|
||
|
||
#ifndef FILTERS_DISABLE_MOVING_AVERAGE
|
||
memset(filter->buffer, 0, sizeof(filter->buffer));
|
||
#endif
|
||
filter->size = size;
|
||
filter->sum = 0.0f;
|
||
filter->index = 0;
|
||
filter->count = 0;
|
||
filter->mode = mode;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterAverage_Init;
|
||
filter->process = &FilterAverage_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения фильтром скользящего среднего (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Отфильтрованное значение
|
||
*/
|
||
float FilterAverage_Process(FilterAverage_t* filter, float input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
// Общая логика для обоих режимов
|
||
filter->sum += input;
|
||
filter->count++;
|
||
filter->dataProcessing = 1;
|
||
// Логика скользящего среднего
|
||
if (filter->mode == FILTER_MODE_MOVING) {
|
||
#ifndef FILTERS_DISABLE_MOVING_AVERAGE
|
||
if (filter->count > filter->size) {
|
||
filter->sum -= filter->buffer[filter->index];
|
||
filter->count = filter->size; // Поддерживаем фиксированный размер окна
|
||
}
|
||
filter->buffer[filter->index] = input;
|
||
filter->index = (filter->index + 1) % filter->size;
|
||
filter->lastValue = filter->sum / filter->count;
|
||
filter->dataProcessing = 0;
|
||
#endif
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
if (filter->count >= filter->size)
|
||
{
|
||
filter->lastValue = filter->sum / filter->count;
|
||
filter->count = 0;
|
||
filter->sum = 0;
|
||
filter->dataProcessing = 0;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
return filter->lastValue;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация полиномиальной коррекции (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру коррекции
|
||
* @param coeffs Массив коэффициентов полинома
|
||
* @param order Порядок полинома
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterPoly_Init(FilterPoly_t* filter, float* coeffs, uint8_t order) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if ((coeffs == NULL) || (order > FILTER_POLY_MAX_ORDER)) return -1;
|
||
|
||
filter->order = order;
|
||
memcpy(filter->coefficients, coeffs, (order + 1) * sizeof(float));
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterPoly_Init;
|
||
filter->process = &FilterPoly_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Применение полиномиальной коррекции к значению (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру коррекции
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Скорректированное значение
|
||
*/
|
||
float FilterPoly_Process(FilterPoly_t* filter, float input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
float result = 0.0f;
|
||
float x_power = 1.0f;
|
||
|
||
for (uint8_t i = 0; i <= filter->order; i++) {
|
||
result += filter->coefficients[i] * x_power;
|
||
x_power *= input;
|
||
}
|
||
|
||
return result;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация табличного фильтра (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input_arr Массив входных значений (должен быть отсортирован по возрастанию)
|
||
* @param output_arr Массив выходных значений
|
||
* @param size Размер таблицы
|
||
* @param interpolation Флаг интерполяции (0 - ближайшее значение, 1 - линейная интерполяция)
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterLUT_Init(FilterLUT_t* filter, float* input_arr, float* output_arr, uint16_t size, uint8_t interpolation) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if ((input_arr == NULL) || (output_arr == NULL)) return -1;
|
||
|
||
filter->input_values = input_arr;
|
||
filter->output_values = output_arr;
|
||
filter->size = size;
|
||
filter->interpolation = interpolation;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterLUT_Init;
|
||
filter->process = &FilterLUT_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения табличным фильтром (float)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Выходное значение по таблице
|
||
*/
|
||
float FilterLUT_Process(FilterLUT_t* filter, float input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
if((filter->input_values == NULL) || (filter->output_values == NULL)) {
|
||
return input;
|
||
}
|
||
|
||
// Поиск ближайших значений в таблице
|
||
uint16_t left_index = 0;
|
||
uint16_t right_index = filter->size - 1;
|
||
|
||
// Если значение за пределами таблицы - возвращаем крайние значения
|
||
if (input <= filter->input_values[0]) {
|
||
return filter->output_values[0];
|
||
}
|
||
if (input >= filter->input_values[right_index]) {
|
||
return filter->output_values[right_index];
|
||
}
|
||
|
||
// Бинарный поиск позиции
|
||
while (right_index - left_index > 1) {
|
||
uint16_t mid_index = left_index + (right_index - left_index) / 2;
|
||
if (input <= filter->input_values[mid_index]) {
|
||
right_index = mid_index;
|
||
} else {
|
||
left_index = mid_index;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// Без интерполяции - возвращаем значение левой границы
|
||
if (!filter->interpolation) {
|
||
return filter->output_values[left_index];
|
||
}
|
||
|
||
// Линейная интерполяция
|
||
float x0 = filter->input_values[left_index];
|
||
float x1 = filter->input_values[right_index];
|
||
float y0 = filter->output_values[left_index];
|
||
float y1 = filter->output_values[right_index];
|
||
|
||
if (x1 == x0) {
|
||
return y0; // Избегаем деления на ноль
|
||
}
|
||
|
||
return y0 + (input - x0) * (y1 - y0) / (x1 - x0);
|
||
}
|
||
// ==================== INT32_T ВЕРСИИ ====================
|
||
|
||
// Вспомогательная функция для сравнения int32_t
|
||
static int Filter_int32_compare(const void *a, const void *b) {
|
||
int32_t ia = *(const int32_t*)a;
|
||
int32_t ib = *(const int32_t*)b;
|
||
if (ia < ib) return -1;
|
||
if (ia > ib) return 1;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация медианного фильтра (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterMedianInt_Init(FilterMedianInt_t* filter, uint8_t size, int32_t init_val) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if (size == 0 || size > FILTER_MEDIAN_MAX_SIZE) return -1;
|
||
|
||
for (int i = 0; i < size; i++)
|
||
{
|
||
filter->buffer[i] = init_val;
|
||
}
|
||
|
||
filter->index = 0;
|
||
filter->size = size;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterMedianInt_Init;
|
||
filter->process = &FilterMedianInt_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения медианным фильтром (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Отфильтрованное значение
|
||
*/
|
||
int32_t FilterMedianInt_Process(FilterMedianInt_t* filter, int32_t input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
// Добавляем значение в буфер
|
||
filter->buffer[filter->index] = input;
|
||
filter->index = (filter->index + 1) % filter->size;
|
||
|
||
// Копируем буфер для сортировки
|
||
int32_t sort_buffer[FILTER_MEDIAN_MAX_SIZE];
|
||
memcpy(sort_buffer, filter->buffer, sizeof(sort_buffer));
|
||
|
||
// Сортируем и возвращаем медиану
|
||
qsort(sort_buffer, filter->size, sizeof(int32_t), Filter_int32_compare);
|
||
return sort_buffer[filter->size / 2];
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация экспоненциального фильтра (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param alpha Коэффициент сглаживания в масштабированном виде
|
||
* @param scale Масштаб коэффициента (например 100 для работы с процентами)
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterExpInt_Init(FilterExpInt_t* filter, int32_t alpha, int32_t scale) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
|
||
filter->alpha = alpha;
|
||
filter->scale = scale;
|
||
filter->value = 0;
|
||
filter->initialized = 0;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterExpInt_Init;
|
||
filter->process = &FilterExpInt_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения экспоненциальным фильтром (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Отфильтрованное значение
|
||
*/
|
||
int32_t FilterExpInt_Process(FilterExpInt_t* filter, int32_t input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
if (!filter->initialized) {
|
||
filter->value = input;
|
||
filter->initialized = 1;
|
||
return input;
|
||
}
|
||
|
||
// value = (alpha * input + (scale - alpha) * value) / scale
|
||
int64_t result = (int64_t)filter->alpha * input +
|
||
(int64_t)(filter->scale - filter->alpha) * filter->value;
|
||
filter->value = (int32_t)(result / filter->scale);
|
||
|
||
return filter->value;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация фильтра скользящего среднего (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterAverageInt_Init(FilterAverageInt_t* filter, uint32_t size, FilterMode_t mode) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if (size == 0 || size > FILTER_AVERAGE_MAX_SIZE) return - 1;
|
||
#ifndef FILTERS_DISABLE_MOVING_AVERAGE
|
||
memset(filter->buffer, 0, sizeof(filter->buffer));
|
||
#endif
|
||
filter->size = size;
|
||
filter->sum = 0;
|
||
filter->index = 0;
|
||
filter->count = 0;
|
||
filter->mode = mode;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterAverageInt_Init;
|
||
filter->process = &FilterAverageInt_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения фильтром скользящего среднего (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Отфильтрованное значение
|
||
*/
|
||
int32_t FilterAverageInt_Process(FilterAverageInt_t* filter, int32_t input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
// Общая логика для обоих режимов
|
||
filter->sum += input;
|
||
filter->count++;
|
||
|
||
// Логика скользящего среднего
|
||
if (filter->mode == FILTER_MODE_MOVING) {
|
||
#ifndef FILTERS_DISABLE_MOVING_AVERAGE
|
||
if (filter->count > filter->size) {
|
||
filter->sum -= filter->buffer[filter->index];
|
||
filter->count = filter->size; // Поддерживаем фиксированный размер окна
|
||
}
|
||
filter->buffer[filter->index] = input;
|
||
filter->index = (filter->index + 1) % filter->size;
|
||
filter->lastValue = filter->sum / filter->count;
|
||
#endif
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
if (filter->count >= filter->size)
|
||
{
|
||
filter->lastValue = filter->sum / filter->count;
|
||
filter->count = 0;
|
||
filter->sum = 0;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
return filter->lastValue;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация полиномиальной коррекции (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру коррекции
|
||
* @param coeffs Массив коэффициентов полинома в масштабированном виде
|
||
* @param order Порядок полинома
|
||
* @param scale Масштаб коэффициентов
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterPolyInt_Init(FilterPolyInt_t* filter, int32_t* coeffs, uint8_t order, int32_t scale) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if ((coeffs == NULL) || (order > FILTER_POLY_MAX_ORDER)) return -1;
|
||
|
||
filter->order = order;
|
||
filter->scale = scale;
|
||
memcpy(filter->coefficients, coeffs, (order + 1) * sizeof(int32_t));
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterPolyInt_Init;
|
||
filter->process = &FilterPolyInt_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Применение полиномиальной коррекции к значению (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру коррекции
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Скорректированное значение
|
||
*/
|
||
int32_t FilterPolyInt_Process(FilterPolyInt_t* filter, int32_t input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
// coefficients[0] = a_n * scale
|
||
// coefficients[1] = a_{n-1} * scale
|
||
// ...
|
||
// coefficients[n] = a_0 * scale
|
||
|
||
int64_t result = filter->coefficients[0]; // Старший коэффициент
|
||
int64_t x_scaled = input;
|
||
|
||
for (uint8_t i = 1; i <= filter->order; i++) {
|
||
result = (result * x_scaled) / filter->scale + filter->coefficients[i];
|
||
}
|
||
|
||
// Домножаем на scale для a_0
|
||
result = (result * filter->scale);
|
||
|
||
return (int32_t)(result / filter->scale);
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация табличного фильтра (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input_arr Массив входных значений (должен быть отсортирован по возрастанию)
|
||
* @param output_arr Массив выходных значений
|
||
* @param size Размер таблицы
|
||
* @param interpolation Флаг интерполяции (0 - ближайшее значение, 1 - линейная интерполяция)
|
||
* @return 0 - успех, -1 - ошибка
|
||
*/
|
||
int FilterLUTInt_Init(FilterLUTInt_t* filter, int32_t* input_arr, int32_t* output_arr, uint16_t size, uint8_t interpolation) {
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
if ((input_arr == NULL) || (output_arr == NULL)) return -1;
|
||
|
||
filter->input_values = input_arr;
|
||
filter->output_values = output_arr;
|
||
filter->size = size;
|
||
filter->interpolation = interpolation;
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterLUTInt_Init;
|
||
filter->process = &FilterLUTInt_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения табличным фильтром (int32_t)
|
||
* @param filter Указатель на структуру фильтра
|
||
* @param input Входное значение
|
||
* @return Выходное значение по таблице
|
||
*/
|
||
int32_t FilterLUTInt_Process(FilterLUTInt_t* filter, int32_t input) {
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
if((filter->input_values == NULL) || (filter->output_values == NULL)) {
|
||
return input;
|
||
}
|
||
|
||
// Поиск ближайших значений в таблице
|
||
uint16_t left_index = 0;
|
||
uint16_t right_index = filter->size - 1;
|
||
|
||
// Если значение за пределами таблицы - возвращаем крайние значения
|
||
if (input <= filter->input_values[0]) {
|
||
return filter->output_values[0];
|
||
}
|
||
if (input >= filter->input_values[right_index]) {
|
||
return filter->output_values[right_index];
|
||
}
|
||
|
||
// Бинарный поиск позиции
|
||
while (right_index - left_index > 1) {
|
||
uint16_t mid_index = left_index + (right_index - left_index) / 2;
|
||
if (input <= filter->input_values[mid_index]) {
|
||
right_index = mid_index;
|
||
} else {
|
||
left_index = mid_index;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// Без интерполяции - возвращаем значение левой границы
|
||
if (!filter->interpolation) {
|
||
return filter->output_values[left_index];
|
||
}
|
||
|
||
// Линейная интерполяция (целочисленная)
|
||
int64_t x0 = filter->input_values[left_index];
|
||
int64_t x1 = filter->input_values[right_index];
|
||
int64_t y0 = filter->output_values[left_index];
|
||
int64_t y1 = filter->output_values[right_index];
|
||
|
||
if (x1 == x0) {
|
||
return (int32_t)y0; // Избегаем деления на ноль
|
||
}
|
||
|
||
int64_t result = y0 + (input - x0) * (y1 - y0) / (x1 - x0);
|
||
return (int32_t)result;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
#ifdef DSP_FITLERS
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Инициализация биквадратного фильтра с CMSIS-DSP
|
||
*/
|
||
int FilterBiquad_Init(FilterBiquad_t* filter, const float32_t coeffs[5])
|
||
{
|
||
check_init_filter(filter);
|
||
|
||
if (coeffs == NULL) return -1;
|
||
|
||
memcpy(filter->coeffs, coeffs, sizeof(filter->coeffs));
|
||
memset(filter->state_buffer, 0, sizeof(filter->state_buffer));
|
||
|
||
// Инициализация CMSIS-DSP структуры (1 каскад)
|
||
arm_biquad_cascade_df2T_init_f32(&filter->instance,
|
||
1,
|
||
filter->coeffs,
|
||
filter->state_buffer);
|
||
|
||
filter->state = FILTER_READY;
|
||
filter->reset = &FilterBiquad_Init;
|
||
filter->process = &FilterBiquad_Process;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief Обработка значения биквадратным фильтром CMSIS-DSP
|
||
*/
|
||
float FilterBiquad_Process(FilterBiquad_t* filter, float input)
|
||
{
|
||
check_process_filter(filter);
|
||
|
||
float32_t in_arr[1] = {input};
|
||
float32_t out_arr[1];
|
||
|
||
arm_biquad_cascade_df2T_f32(&filter->instance, in_arr, out_arr, 1);
|
||
|
||
return out_arr[0];
|
||
}
|
||
#endif
|
||
|
||
#endif // FILTERS_ENABLE
|