【正文】 nderstand digital signal process more clearly. The software used in this paper is LabVIEW. LabVIEW is a kind of software based on graphic language, it has a very strong database. It provides a convenient and relaxed designing environment for the VI designer. It is one of the most widely used software. So this paper chooses LabVIEW as designing software. Digital filter is a discrete LIT system which can acplish the signal filter using finite precision arithmetic, with a group of digital signal input (which are sampled and measured through analog signals) and another group of changed digital signal output. Digital filter is one of the important contents of digital signal process. Compared with analog filter, the digital filter hasn’t excursion, is able to process low frequency signal, the characteristic of frequency response is close to ideal value, with high precision, and easy to integrated. Digital filter will be more useful in the further.. Key Words： Digital Signal Process。所以，本文選取 LabVIEW作為設計數(shù)字濾波器的軟件。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。設計一個數(shù)字濾波器可以有助于我們更好的了解數(shù)字信號處理。 數(shù)字濾波器是指有完成信號濾波處理的功能，用有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性非時變系統(tǒng)，其輸入是一組 (由模擬信號取樣和量化的 )數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換的另一組數(shù)字量。 Digital Filter。 近年來，以計算機為中心、以網(wǎng)絡為核心的網(wǎng)絡化測控技術與網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)得到越 來越多的應用，尤其是在航空航天等國防科技領域。 課題背景 測控技 術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 早期的測控系統(tǒng)采用大型儀表集中對各個重要設備的狀態(tài)進行監(jiān)控，通過操作盤進行集中式操作；而計算機測控系統(tǒng)是以計算機為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)與被控對象 (生產(chǎn)過程 )共同構(gòu)成的整體。同時測控對象的空間位置日益分散，測控任務日益復雜，測控系統(tǒng)日益龐大，因此，提出了測控現(xiàn)場化、遠程化、網(wǎng)絡化的要求。 第一階段 ： 起始于 20 世紀 70 年代通用儀器總線 (GPIB)的出現(xiàn)， GPIB 實現(xiàn)了計算機與測控系統(tǒng)的首次結(jié)合，使得測量儀器從獨立的手工操作單臺儀器開始走向計算機控制的多臺儀器的測控系統(tǒng)。 第三階段 ： 隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)帶動了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (FCS)的迅速發(fā)展，使得可以在一個工廠范圍內(nèi)通過總線將成千上萬個智能 傳感器 /變送器等智能化的儀表組成一個網(wǎng)絡化測控儀器系統(tǒng)，此階段是網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)的快速發(fā)展階段。自從1785 年庫侖發(fā)明靜電扭秤， 1834 年哈里斯提出靜電電表結(jié)構(gòu)以來，電測儀表和電子儀器隨相關技術的進步 、儀器儀表元器件質(zhì)量的提高和測量理論方法的改進得到飛速發(fā)展。從二十世紀初到五十年代左右，測量儀器的材料性能得到改善出現(xiàn)了電子管，同時測量理論和方法與電子技術、控制技術相結(jié)合，出現(xiàn)了以記錄儀和示波 器為代表的電子儀表五十年代以后隨著晶體管和集成電路的出現(xiàn)以及應用電子技術的發(fā)展 將 數(shù)字技術成功地應用到測量儀器。智能儀器是將微機置于儀器內(nèi)部，使儀器具有控制、存儲、運算、邏輯判斷及自動操作等智能特點，并在測量準確度、靈 敏度、可靠性、自動化程度、運用能力及解決測量技術問題 的 深度和廣度等方面都有明顯的進步。為解決這樣的問題，總線式儀器與系統(tǒng)應運而生?？ㄊ絻x器是虛擬儀器的雛形 ， 是將傳統(tǒng)獨立式儀器的測量電路部分與接口部分集合在一起制成儀器功能卡，將其插入微機的內(nèi)部插槽或外部插件箱中形成的儀器。在這種情況下，用戶自然會提出標準化的要求。XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 5 相對 VXI 儀器，按 PXI 總線標準制成的 PXI 儀器具有成本低、便 于組成便攜式測試系統(tǒng)等優(yōu)點 [2]。 當今社會 正處于一個正在高 速發(fā)展的 狀態(tài)中 ，要在有限的時空內(nèi)實現(xiàn)大量的信息交換，隨之而來的是信息密度急劇增大，因而在研究和生產(chǎn)過程中要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對信息的處理速度越來越高，功能越來越強。本文正是在虛擬儀器技術的基礎上對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)多路信號的采集，并對實驗數(shù)據(jù)進行實時顯示、記錄、分析處理。在 LabVIEW 中設計虛擬數(shù)字濾波器 ,關鍵問題是要知道濾波器圖標的調(diào)用路徑和合理設置濾波器的有關參數(shù) . 比如 ,要設計一個虛擬數(shù)字式巴特沃斯濾波器 ,其設計過程是在 Functions 選項板下 次選擇 Analyze Signal Processing Filters 子選項板 ,最后在 Filters 子選項板中選擇Butterworth Filter. vi 圖標 , 選中后在流程圖中便出現(xiàn)巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter. vi) 圖標 ,然后 ,設置 Butterworth Filter. vi 的相關參數(shù) 。 虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器 ” 。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。這樣，當用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的 VI 系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢（如表 11 所示）。由此導致許多識讀和操作錯誤。 2） 在通用硬件平臺確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。 6） 由于其以 PC 為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機 CPU 的強大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實現(xiàn)自動化、智 能化、多任務測量。這是一種新型的基于 Web 技術的虛擬儀器，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣， 主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。 數(shù)據(jù)分析和處理 數(shù)字信號處理 數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計分析 采集與控制 插入式數(shù)據(jù)采集板 GPIB 儀器 VXI/PXI 儀器 RS232 儀器 結(jié)果顯示 網(wǎng)絡通信 硬盤拷貝輸 出 文件 I/O 圖形用戶接口 XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 11 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(diào)理及信號采集部件 （ 如外置或內(nèi)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(gòu)成 。 虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型 [9]，如圖 所示。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XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 13 求。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器技術的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。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(qū)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(qū)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(diào)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XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 15 程，更加便于程序的調(diào)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(jié)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(diào)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)，? } 圖 顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。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。圖 和圖 顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進行采樣的結(jié)果。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集 (A/D)之前 ，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。需要注意的兩個問題是 ： 是否使用 緩沖？ 是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作 ？ 1） 緩沖 (Buffers) 這里的 緩沖指 的是 PC 內(nèi)存的一個區(qū)域 (不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO緩沖 )，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機內(nèi)存 的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存。 ③ 采樣周期必須準確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。當某一模擬入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。 下列情況使用硬件觸發(fā) ： ① 采集事件定時需要非常準確。 因為 被測試對象的信號來源已經(jīng)是 變換好了的 電信號，所以傳感器部分 在設計中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設 計過程中必需要考慮的 。 IIR DF 和 FIR DF 在特性、結(jié)構(gòu)、設計方法、運用場合等方面均不相同，本章及下一章將分別對 IIR DF 和 FFR DF 的設計進行論述。一般來說， IIR DF 的 H(z)有分母，須用遞歸型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)； FIR DF 的 H(z)無分母，用非遞歸型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。 這里要特別強調(diào)一點的是：數(shù)字濾波器的頻響是周期的 ,其重復周期是采樣頻率 f,或者數(shù)字頻率 2π，且在每一周期內(nèi)，幅頻特性具有對稱性。 因此，所謂低通、高通、帶通、帶阻都是指頻率 f 介于 0～ f/2 或數(shù)字頻率ω介于 0～π的那一段幅頻特性而言的。一維濾波器的輸入、輸出、沖激響應和頻響分別是x(n)、 y(