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Toggle开关量信号（如传感器的通断信号、设备启停信号）在工业场景中极易受电磁干扰、触点抖动影响，出现 “误触发” 或 “毛刺”（短时间内反复通断）。若直接用于控制逻辑，可能导致设备误动作（如矿山机器人制动阀错误启停）。本文以 Simulink 为工具，从抖动原理、滤波方法、模型搭建到工程调试，完整讲解开关量信号的滤波处理，覆盖硬件消抖、软件延时、状态机滤波三大典型场景。
一、前置知识：开关量信号的抖动特性
开关量信号的干扰主要表现为触点抖动（如机械开关、接近开关闭合 / 断开时，因触点弹跳产生 10-20ms 的反复通断）和电磁干扰（如强电设备启停时，电磁辐射导致信号误触发）。滤波的核心目标是：在保留真实通断状态的前提下，消除短时干扰信号。
二、实操案例 1：软件延时滤波（最常用）
场景定义
模拟矿山机器人制动阀的开关量信号（真实状态：1s 内仅触发 1 次通断，但因触点抖动，通断瞬间产生 5ms 的毛刺），需用软件延时滤波消除毛刺。
步骤 1：搭建 Simulink 基础模型
-
新建 Simulink 模型，拖拽核心模块：
- 信号源：
Simulink/Sources/Pulse Generator（模拟真实通断信号，Period=2s，Pulse Width=50%）；Simulink/Sources/Random Number（模拟毛刺干扰，Distribution=Uniform，Min=0，Max=1，Sample Time=0.001s）；Simulink/Signal Routing/Switch（叠加真实信号与毛刺，模拟带干扰的开关量）。 - 滤波模块：
Simulink/Discrete/Discrete Transfer Fcn（离散传递函数，实现延时逻辑）；或
Simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function（自定义延时函数，更灵活）。 - 观测模块：
Simulink/Sinks/Scope（对比滤波前后信号）。
- 信号源：
-
模块连接逻辑：
Pulse Generator(真实信号) + Random Number(毛刺) → Switch → 滤波模块 → Scope（注：Switch 模块需设置 “毛刺触发时，输出随机 0/1；否则输出真实信号”）
步骤 2：配置延时滤波参数
方法 A：离散传递函数实现（简单延时）
离散延时的传递函数为：
G(z) = z^(-N)（N 为延时步数，采样时间Ts，总延时T = N×Ts）。
若需 5ms 延时（消除 5ms 毛刺），设Ts=0.001s，则N=5，传递函数分子为[0,0,0,0,0,1]（第 6 个元素为 1，对应z^(-5)），分母为[1]。
双击Discrete Transfer Fcn模块，设置：
Numerator：[0 0 0 0 0 1]；Denominator：[1]；Sample time：0.001。
方法 B：MATLAB 函数实现（带防抖逻辑）
编写 MATLAB 函数（
Filter_Switch.m），实现 “连续 N 次采样为 1 才判定为通，连续 N 次采样为 0 才判定为断”：matlab
function y = Filter_Switch(u)
persistent state cnt;
if isempty(state)
state = 0; % 初始状态为断开
cnt = 0; % 计数初始为0
end
% 防抖参数：连续5次采样一致才切换状态
if u == 1
cnt = cnt + 1;
if cnt >= 5
state = 1;
cnt = 5; % 保持计数上限
end
else
cnt = cnt - 1;
if cnt <= 0
state = 0;
cnt = 0; % 保持计数下限
end
end
y = state;
end
在 Simulink 中拖拽
MATLAB Function模块，关联上述函数，输入为带干扰的开关量u，输出为滤波后信号y。步骤 3：仿真与结果分析
运行仿真后，Scope 中可观察到：
- 滤波前信号：真实通断瞬间有 5ms 的毛刺（快速 0/1 跳变）；
- 滤波后信号：毛刺完全被消除，通断状态仅在真实触发时切换，延时约 5ms（与参数一致）。
三、实操案例 2：状态机滤波（复杂逻辑）
场景定义
矿山机器人急停开关信号（需满足：按下时立即触发急停，松开时需保持 200ms 急停状态再释放），需用状态机实现 “触发 – 保持 – 释放” 的滤波逻辑。
步骤 1：搭建状态机模型
-
拖拽核心模块：
- 信号源：
Simulink/Sources/Manual Switch（手动模拟急停开关的按下 / 松开）； - 状态机：
Simulink/Stateflow/Chart（自定义状态转移逻辑）； - 定时器：
Simulink/Discrete/Discrete-Time Integrator（计时保持时间）。
- 信号源：
-
Stateflow Chart 的状态设计：
- 状态：
Idle（空闲）、Triggered（触发急停）、Hold（保持急停）； - 转移条件：
Idle → Triggered：急停开关按下；Triggered → Hold：立即进入保持状态，启动定时器；Hold → Idle：定时器达到 200ms 且急停开关松开。
- 状态：
步骤 2：配置状态机逻辑
打开 Stateflow Chart，编写状态转移与动作：
plaintext
chart Logic
states {
Idle: entry { cnt = 0; }
Triggered: entry { output = 1; }
Hold: entry { timer = 0; }
}
transitions {
[default] -> Idle;
Idle -> Triggered when (switch_input == 1);
Triggered -> Hold;
Hold -> Idle when (timer >= 0.2 && switch_input == 0);
}
actions {
// 定时器更新（采样时间0.01s）
if (in(Hold)) timer = timer + 0.01;
// 输出急停信号
output = (state == Triggered) || (state == Hold);
}
（注：
switch_input为急停开关输入，output为滤波后急停信号，timer为保持时间计数器）步骤 3：仿真结果
手动切换
Manual Switch模拟急停：- 按下时，
output立即置 1（触发急停）； - 松开时，
output保持 1 约 200ms 后置 0（保持急停后释放），完全符合工艺需求。
四、实操案例 3：硬件滤波电路模拟（虚实结合）
场景定义
若需模拟RC 硬件滤波电路（如开关量输入端口的 RC 滤波，参数：R=1kΩ，C=10μF）对开关量的滤波效果，可通过 Simscape Electrical 模块实现。
步骤 1：搭建硬件电路模型
-
拖拽 Simscape Electrical 模块：
- 信号源：
Simscape/Sources/DC Voltage Source（模拟开关量：5V 为通，0V 为断）； - 开关：
Simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Switches/Universal Bridge（模拟机械开关的通断）； - RC 电路：
Simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Resistor（R=1kΩ）、Capacitor（C=10μF）； - 观测：
Simscape/Sinks/Scope（观测 RC 电路输出的电压信号，间接反映开关量状态）。
- 信号源：
-
电路连接：
DC Voltage Source(5V) → Universal Bridge → Resistor(1kΩ) → Capacitor(10μF) → Ground，Scope 并联在 Capacitor 两端。
步骤 2：仿真与结果
运行仿真，手动控制 Universal Bridge 的通断：
- 开关闭合时，电容电压从 0V 缓慢上升至 5V（充电时间常数
τ=RC=0.01s，约 3τ=0.03s 后稳定）； - 开关断开时，电容电压从 5V 缓慢下降至 0V（放电时间常数同样为 0.01s）。
这种 “缓变电压” 可通过后续的比较器（如
Simulink/Discontinuities/Relay，阈值设为 2.5V）转换为干净的开关量，实现硬件滤波。
五、滤波方法的选型与工程建议
| 滤波场景 | 推荐方法 | 优势 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| 普通机械开关（如按钮） | 软件延时滤波（5-20ms） | 简单易实现，无需硬件改动 | 延时时间需匹配抖动时长（需实测） |
| 安全类信号（如急停） | 状态机滤波 | 可自定义 “触发 – 保持 – 释放” 逻辑 | 状态转移需严谨，避免逻辑漏洞 |
| 需与硬件电路一致 | 硬件滤波电路模拟 | 虚实结合，精准匹配硬件特性 | 需掌握 Simscape Electrical 使用 |
| 高频干扰（如电磁辐射） | 软件 + 硬件联合滤波 | 双重保障，抗干扰能力强 | 增加成本与复杂度，需权衡 |
六、总结
开关量信号的滤波核心是 **“时间域的筛选”**：通过延时、计数、状态转移等方式，区分 “真实通断” 与 “短时干扰”。基于 Simulink 的优势在于：
- 无需编写复杂代码，通过模块拖拽即可实现滤波；
- 支持 “软件逻辑” 与 “硬件电路” 的虚实结合仿真；
- 可快速修改参数（如延时时间、状态转移条件），适配不同场景。
工程中建议先通过 Simulink 仿真验证滤波逻辑，再部署到实际设备中，能大幅减少现场调试时间。
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