【正文】 .............................................23 IIR 無限長數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) ...............................................................23 第四章 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ...........................................................................................................27 數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì) ..............................................................................................27 濾波器及 labVIEW實(shí)現(xiàn) ...................................................................................27 調(diào)用數(shù)字濾波器子程序的幾個(gè)問題 ..............................................................28 .調(diào)用的時(shí)的參數(shù)設(shè)置 ..........................................................................28 ........................................................................29 A/D前的搞混濾波器 ...........................................................................29 濾波器的設(shè)計(jì) ..................................................................................................29 選擇濾波器 ...........................................................................................29 數(shù)據(jù)保存部分 .......................................................................................30 數(shù)據(jù)寫入部分 .......................................................................................31 數(shù)字濾波器的整個(gè)框圖 ..................................................................................32 第五章 總結(jié)與展望 .......................................................................................................34 致 謝 ............................................................................................................................36 參 考 文 獻(xiàn) .....................................................................................................................37 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 引言 測(cè)控技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國防科技等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認(rèn)為是科學(xué)技術(shù)、國防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。由于通信協(xié)議不開放，因此這種測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)自封閉系統(tǒng)，一般只能完成單一的測(cè)控功能，一般通過接口，如 RS232 或 GPIB 接口可與本地計(jì)算機(jī)或其他儀器設(shè)備進(jìn)行簡單互連 [1]。 第二階段 ： 起始于 20 世紀(jì) 80 年代 VXI 標(biāo)準(zhǔn)化儀器總線的出現(xiàn)， VXI 系統(tǒng)可以將大型計(jì)算機(jī)昂貴的外設(shè)、 VXI 設(shè)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(luò)，使得這些寶貴的資源得以共享。 圖 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末 ， 測(cè)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。隨著電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的智能水平不斷提高。插卡總線機(jī)箱與 PC 機(jī)間的通信，可利用 RS23 GPIB 接口總線或以太網(wǎng)電纜等進(jìn)行。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的實(shí)際需求。 本設(shè)計(jì)所做的工作 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以 4 個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，從傳感器來的模擬輸入信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 6 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(jī)，由軟件進(jìn)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(shí)時(shí)顯示，并以一定的時(shí)間間隔插入數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。 虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量儀器（包括 GPIB、 RS232 等傳統(tǒng)儀器以及新型的 VXI 模塊化儀器）為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件（處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）和測(cè)量儀器（頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源）等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來。虛擬儀器技術(shù)十分符合 國際上流行的“ 硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器” 。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。 8） 虛擬儀器在高性價(jià)比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要用來 完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì) ， 又能滿足測(cè)量需求的多樣性 。 3） VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 ，上個(gè)世紀(jì) 1993 年 VXI 總線 版本被批準(zhǔn)為 IEEE1155 標(biāo)準(zhǔn)，成為 開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 5） 串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng) [10]。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。 利用 LabVIEW ， 可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的 32 編譯器。 如果將 VI 與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對(duì)應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。而在 LabVIEW 中提供的圖標(biāo) /連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。 t＝0，△ t， 2△ t， 3△ t??等等， x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。反過來說，如果給定了采樣 頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 19 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述 信號(hào) 外觸發(fā) 圖 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖 圖 表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。 DAQ 板卡 A/D Buffer(FIFO)（ FIFO） 驅(qū)動(dòng)程序 Labview 程序 w 硬件 內(nèi)存 Buffer 顯示 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 20 下列情況需要使用 Buffer I/O： ① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)分析的速度。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時(shí)間分配，有很高的精確度。 ③ 采集事件需要與外部裝置同步。遞歸表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)過程 中出現(xiàn)反饋回路。因此，如果你想從 0～ 20kHz 的信號(hào)中慮出 1～ 4kHz 的頻率成分，那么在0～ 20kHz 的頻率范圍內(nèi)，帶通濾波器應(yīng)該只有 1～ 4kHz 的通帶。二維濾波器主要用于圖象處理，其用途日益廣泛。 X（ n） 1z? 1z? 1z? XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 25 h（ 0） h（ 1） h（ N2） h（ N1） 圖 31 卷積型 FIR 濾波器 從上面的 z變換和結(jié)構(gòu)圖可以很容易得出 FIR 濾波器的差分方程表示形式。 不論是 IIR 濾波器還是 FIR濾波器的設(shè)計(jì) 都 包括三個(gè)步驟： (1) 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。 FIR 濾波器沒有現(xiàn)成設(shè)計(jì)公式。具體程序見圖 。 現(xiàn)在我們首先對(duì)濾波器的基本概念作一了解，再詳細(xì)介紹 LabVIEW 中濾波器的應(yīng)用。但在調(diào)用數(shù)字濾波器程序時(shí)，除了了解前面介紹的這些濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)外，還需要注意以下幾個(gè)問題： .調(diào)用的時(shí)的參數(shù)設(shè)置 工程上常用的有巴特沃茲（ Buttrworth） ,切比雪夫 (Chebyshey)貝塞爾（ Bessel）等數(shù)字濾波器，它們都是借助于已相當(dāng)成熟的同名模擬濾波器而設(shè)計(jì)的，因此有類同的特性參數(shù)。對(duì)各種類型濾波，采樣頻率均應(yīng)設(shè)置成濾波器輸入信號(hào)的采樣頻率。 濾波器的設(shè)計(jì) 選擇濾波器 在 labview 的函數(shù)面板上的信號(hào)處理上選擇濾波器里的 butterworth 濾波器。 A/D前的搞混濾波器 A/D 轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號(hào)時(shí)，若采樣頻率未滿足采樣定理，會(huì)產(chǎn)生頻域混疊，這時(shí)信號(hào)中頻率大于 1/2 采樣頻率的高頻成分已經(jīng)混進(jìn)數(shù)字信號(hào)的低頻段。因此，除非實(shí)際輸入信號(hào)的采樣頻率是 1，都要對(duì)數(shù)字濾波器設(shè)定一個(gè)采樣頻率參數(shù)。 LabVIEW 中的濾波器 VI 也分成了 ExpressVI， 波形 VI 和基本功能 VI 3 個(gè)層次。在測(cè)試 VI 中當(dāng)然是使用數(shù)字濾波器。因此，這類濾波器應(yīng)用很廣泛。同時(shí)由于量化舍入以及系數(shù)的不準(zhǔn)確所引起的誤差的影響比 IIR濾波器要小得多。在這種情況下，要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，單純靠公式計(jì)算和編制簡單的程 序很難在短時(shí)間內(nèi)完成。當(dāng) t= (N 一 1)／ 2 時(shí)，截取的一段 h(n)對(duì) (N 一 1)／ 2 對(duì)稱，可保證所設(shè)計(jì)的濾波器具有線性相位。一維濾波器的輸入、輸出、沖激響應(yīng)和頻響分別是x(n)、 y(n)、 h(n)、和 H(ejω ),二維濾波器分別是 x(n,m)、 y(n,m)、 h(n,m)和H(ejω 1,ejω 2) ,三維和三維以上類推。 這里要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是：數(shù)字濾波器的頻響是周期的 ,其重復(fù)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(duì)稱性。 IIR DF 和 FIR DF 在特性、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、運(yùn)用場合等方面均不相同，本章及下一章將分別對(duì) IIR DF 和 FFR DF 的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。 下列情況使用硬件觸發(fā) ： ① 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確。觸發(fā)器通常是一個(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)，其狀態(tài)可確定動(dòng)作的發(fā)生。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的內(nèi)存。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集 (A/D)之前 ，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào) x(t)的頻率。時(shí)間間隔△ t 被稱為采樣間隔或者采樣周期。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。 3） 圖標(biāo) /連接設(shè)計(jì) ： 這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。在流程圖中對(duì) VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。 LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點(diǎn) ： 首先， LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似 ； 同時(shí)，LabVIEW 提供了豐富的 VI 庫和儀器面板素材庫，近 600 種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 (可擴(kuò)充 )如 GPIB 設(shè)備控制、 VXI 總線控制 、 串行口設(shè)備控制 、 以及數(shù)據(jù)分析