【正文】 期:2011 年 3月1日~ 2011 年 6月20日設計(論文)地點:指 導 教 師:XXXX專業(yè)負責人:41摘 要基于LabVIEW的FIR數(shù)字濾波器的設計當前我們正處于數(shù)字化時代，數(shù)字信號處理技術受到了人們的廣泛關注，其理論及算法隨著計算機技術和微電子技術的進步得到了飛速的發(fā)展，被廣泛應用于語音圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識別、自動控制等領域。它為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、輕松的設計環(huán)境，是目前應用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件之一。另外其精度較高，容易集成等，這些特點決定了數(shù)字濾波器的應用越來越廣泛。 LabVIEW目錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 引言 1 課題背景 1 測控技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1 虛擬儀器技術發(fā)展趨勢 3 本設計所做的工作 6 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計 6 數(shù)字濾波器的設計 6第二章 虛擬儀器 7 虛擬儀器技術概述 7 虛擬儀器的概念 7 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢 7 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 8 虛擬儀器測試系統(tǒng)的組成 10 虛擬儀器I/O接口設備 11 虛擬儀器的軟件結構 13 虛擬儀器的開發(fā)軟件 14 虛擬儀器的開發(fā)語言 14 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEW 14 基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計 15第三章 系統(tǒng)設計理論 17 17 數(shù)據(jù)采集技術概論 17 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述 19 傳感器 21 21 按沖激響應h(n)的長度分類 21 按有無遞歸結構分類 21 按頻域特點分 21 22 數(shù)字濾波器設計 23 IIR 無限長數(shù)字濾波器設計 23第四章 設計實現(xiàn) 28 數(shù)據(jù)采集的設計 28 濾波器及l(fā)abVIEW實現(xiàn) 28 調用數(shù)字濾波器子程序的幾個問題 29 .調用的時的參數(shù)設置 29 30 A/D前的搞混濾波器 30 濾波器的設計 30 選擇濾波器 30 數(shù)據(jù)保存部分 31 數(shù)據(jù)寫入部分 32 數(shù)字濾波器的整個框圖 33第五章 總結與展望 35致 謝 37參 考 文 獻 38第一章 緒論 引言測控技術在現(xiàn)代科學技術、工業(yè)生產(chǎn)和國防科技等諸多領域中應用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認為是科學技術、國防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。傳輸介質組成的通信網(wǎng)絡主要完成數(shù)據(jù)的通信與采集，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個測控系統(tǒng)的主體，是完成測控任務的主力。由于通信協(xié)議不開放，因此這種測控系統(tǒng)是一個自封閉系統(tǒng)，一般只能完成單一的測控功能，一般通過接口，如RS232或GPIB接口可與本地計算機或其他儀器設備進行簡單互連[1]。網(wǎng)絡化的測控技術興起于國外，是在計算機網(wǎng)絡技術、通信技術高速發(fā)展，以及對大容量分布式測控的大量需求背景下發(fā)展起來。第二階段：起始于20世紀80年代VXI標準化儀器總線的出現(xiàn)，VXI系統(tǒng)可以將大型計算機昂貴的外設、VXI設備、通信線路等硬件資源以及大型數(shù)據(jù)庫程序等軟件資源納入網(wǎng)絡，使得這些寶貴的資源得以共享。許多部門或大型企業(yè)迫切要求構建基于Internet或大型局域網(wǎng)的網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)，即通常所說的分布式測控網(wǎng)絡，此階段是網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)發(fā)展的成熟階段。虛擬儀器智能儀器數(shù)字儀器電子儀器模擬儀器九十年代70年代20世紀五十年代19世紀從十九世紀初到二十世紀末，測量儀器經(jīng)歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。七十年代初第一片微處理器問世，微型計算機技術從此發(fā)展迅猛，在其影響下測量儀器呈現(xiàn)出新的活力并取得了長足進步。隨著電子技術、微計算機技術的發(fā)展，智能儀器的智能水平不斷提高。1982年美國西北儀器公司總裁德插卡總線機箱與PC機間的通信，可利用RS23GPIB接口總線或以太網(wǎng)電纜等進行。1997年美國NI公司推出了一種新的儀器總線標準PXI總線標準。虛擬儀器技術的出現(xiàn)，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設計儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的實際需求。然而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀器在此方面受到很大的限制。 本設計所做的工作 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計本設計以4個通道進行設計，從傳感器來的模擬輸入信號，經(jīng)過信號調理后，輸入到NI PCI6254數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)過PCI總線送入PC機，由軟件進行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)的平均值濾波，采樣波形的實時顯示，并以一定的時間間隔插入數(shù)據(jù)庫進行歷史數(shù)據(jù)保存，邊采集邊保存，然后通過數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統(tǒng)設備的使用習慣，用戶不經(jīng)培訓即可迅速掌握操作規(guī)程。1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。同時，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標準元件和加工工藝的限制，由編程來實現(xiàn)，設計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設計儀器面板。5）虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其他周邊設備互聯(lián)。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護費用低開發(fā)維護費用高技術更新周期短（～1年）技術更新周期短（5～10年）軟件是關鍵硬件是關鍵價格低價格昂貴開放、靈活與計算機同步，可重復用和重配置固定可用網(wǎng)絡聯(lián)絡周邊各儀器只可連有限的設備自動化、智能化、多功能、遠距離傳輸功能單一，操作不便近年來，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡虛擬儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式[9]。通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號調理及信號采集部件（如外置或內置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機及其用于輔助測量并能與計算機通訊的常規(guī)儀器等）、通用計算機、打印機等構成。虛擬儀器的構成主要有五種類型[9]。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計算機和儀器的標準通信協(xié)議。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應的改動。4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI總線在儀器領域的擴展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。PXI兼容Compact PCI機械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測試（溫度、濕度、振動和沖擊實驗）等要求。 虛擬儀器的軟件結構虛擬儀器技術的核心是軟件。隨著軟件技術的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復用化，和各種硬件儀器驅動軟件的模塊化、標準化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設計人員來說，要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除此以外還有HP公司的HPVEE ，HPTIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的EzTest ，TekTNS平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[11]。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設備的驅動程序(可擴充)如GPIB設備控制、VXI總線控制、串行口設備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設置斷點，調試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調試。 基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計所有的LabVIEW應用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標/連結器(Icon/Connector)三部分。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。這種設計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面：① 類似流程圖的設計思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設計經(jīng)驗的工程人員。3）圖標/連接設計：這部分的設計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設計的思想。這樣設計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面：① 把一個復雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設計思路清晰，給設計者調試程序帶來了諸多的方便。同時為實現(xiàn)虛擬儀器設計的靈活性提供了前提。各種類型信號采集的難易程度差別很大。時間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…}。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。 合適采樣率采樣波形 采樣率過低采樣波形采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，但實際上工程中選用510倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。例如，你需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。不使用Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理(圖形化、分析等)。下列情況可以不使用Buffer I/O：① 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動/停止數(shù)據(jù)采集。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。② 用戶需要削減軟件開支。 按沖激響應h(n)的長度分類 分為有限沖激響應（FIR）DF和無限沖激響應（IIR）DF兩種。 按有無遞歸結構分類 分為遞歸型和非遞歸型。但是FIR DF也可以用遞歸型結構實現(xiàn)，比如H(z)=1+z1+z2+z3可以改寫然后用遞歸型結構實現(xiàn)。比如采樣頻率f=8000Hz,數(shù)字帶通的通帶是300～3400Hz，那么它的重復周期為8000Hz，由對稱性可知4600～7700Hz也是通帶，由周期性可知8300～11400Hz也是通帶，等等。也就是說，數(shù)字濾波器處理的頻率應該小于f/2.關于數(shù)字頻率ω，一定要注意它是真實頻率于采樣頻率之比。一位濾波器最常用。為模擬角頻率，T為抽樣時間間隔；（2）以數(shù)字抽樣頻率為周期；（3）頻率特性只限于范圍，這是因為依取樣定理，實際頻率特性只能為抽樣頻率的一半。一般來說，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器輸出Y(n)的z變換形式y(tǒng)(z)與輸入 (n)的z變換形式之間的關系如下： （314） 。從上面的公式可以看出，在對濾波器實際設計時，整個過程