【正文】 信號處理；數(shù)字濾波器；虛擬儀器； LabVIEW XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 II Design of FIR Filter Based on LabVIEW Abstract Nowadays we are in the digital time, the technology of digital signal process are paid extensive attention by people. With the development of technology of puter and microelectronics, the theory and arithmetic of digital signal process develop quickly, in some areas such as digital filters which extensively used in audio and video process, digital munications, frequency analysis, autocontrol and so on. Digital filter is one of the most important part of digital signal process, which almost appeared in all digital signal process system. Designing a digital filter could help us understand 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。 Virtual Instrument。 20世紀(jì) 70 年代以來，計算機、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展，在其推動下，測控儀器與技術(shù)不斷進(jìn)步，相繼誕生了智能儀器、 PC 儀器、 VXI 儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機化儀器及其自動測控系統(tǒng)，計算機與現(xiàn)代化儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，測控領(lǐng)域和范圍不斷拓寬 [1]。網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)大體上由兩部分組成 ： 測控終端與傳輸介質(zhì)，隨著個人計算機的高速發(fā)展，測控終端的位置越來越多的被個人計算機所占據(jù)，其中，軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心，甚至是整個測控系統(tǒng)的靈魂，應(yīng)用于測控領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)稱為監(jiān)控軟件。因此，這種“監(jiān)控軟件－數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”構(gòu)架的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了一套完整的理論 [1]。系統(tǒng)中的計算機實現(xiàn)生產(chǎn)過程的XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 2 檢測、監(jiān)督和控制功能。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在我國國防、通信、航天、航空、氣象、環(huán)境監(jiān)測、制造等領(lǐng)域，要求測控和 處理的信息量越來越大、速度越來越快。傳統(tǒng)的單機儀器己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)大數(shù)量、高質(zhì)量的信息采集要求，產(chǎn)生了由計算機控制的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)單元通過各種總線互連，進(jìn)行信息的傳輸。主要可分為以下幾個階段。此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的雛形與起始階段。此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的初步發(fā)展階段。 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 3 第四階段 ： 在對現(xiàn)代化要求極高的領(lǐng)域，傳統(tǒng)的測控系統(tǒng) 已經(jīng) 逐漸無法滿足用戶的要求。 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展趨勢 虛擬儀器是微電子、通信、計算機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個階段，如圖 所示。模擬儀器主要有模擬式電壓表 、電流表等 ， 這些儀表解決了當(dāng)時對某些量的測量的需求。這時電子控制集成電路和計算機技術(shù)開始融為一體成為測量儀器的主要特征。伴隨微電子技術(shù)、計算模擬儀 器 電子儀 器 數(shù)字儀器 智能儀 器 虛擬儀 器 19 世紀(jì) 五十年 代 20 世紀(jì) 70 年代 九十年代 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 4 機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及在電工電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器也不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。這種內(nèi)置微處理器的儀器，既能進(jìn)行自動測試又能完成數(shù)據(jù)處理，可取代部分的腦力勞動。 但是在數(shù)字化儀器、智能儀器階段基本上沒有擺脫傳統(tǒng)儀器那種獨立使用、手動操作的模式，難以勝任更復(fù)雜、多任務(wù)的測量需求。人們發(fā)明制造出 CAMAC、 RS232 和 GPIB等多種儀器通訊接口總線，用于將多臺智能儀器連在一起 ， 以構(gòu)成更復(fù)雜的測試系統(tǒng) 。伯克提出了微機化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器。 PC 總線儀器系統(tǒng)是卡式儀器的一種，它是利用 PC機內(nèi)部的總線，把若干塊儀器卡插在 PC 機內(nèi)部或外部擴(kuò)展機箱內(nèi)而組成的。 雖然許多廠家通過定義新的儀器總線，不斷對卡式儀器進(jìn)行改進(jìn)，但其大多是在微 機內(nèi)總線的插槽上進(jìn)行開發(fā)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且各廠家生產(chǎn)的插卡尺寸大小不一，設(shè)備兼容性較差。 1987年，美國的惠普和泰克等 5 家公司在 VME 總線的基礎(chǔ)上，聯(lián)合提出了一種新型總線系統(tǒng) VXI(VME eXtension For Instrumentation)總線，即由微機總線 VME 擴(kuò)展而成的微機化儀器專用總線。制定 PXI規(guī)范的目的是為了將 PC 的性能價格比優(yōu)勢和 PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展結(jié)合起來，以期形成 一種主流的虛擬儀器測試平臺。這些以 PC 為核心、由測量功能軟件支持，具有虛擬控制面板、必要儀器硬件和通信能力的 PC 儀器或 VXI 儀器就是虛擬儀器。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展，基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期更短，費用更低，測量速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展 [3]。先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅希望設(shè)備能夠單獨進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還希望他們之間能夠互相通信，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甚至是測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，以便對眾多的被測信號進(jìn)行對比、綜合和自動分析、從而得出準(zhǔn)確的判斷。 基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為 當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。 虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新趨勢和新方向，并且是信息技術(shù)的重要領(lǐng)域擴(kuò)充，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。 數(shù)字濾波器的設(shè)計 設(shè)計的數(shù)字濾波器是把采集來的信號，進(jìn)行濾波，保存打印。 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 7 第二章 虛擬儀器 虛擬儀器技術(shù)概述 虛擬儀器的概念 虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（ National Instruments）最先提出的。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。 該技術(shù)把儀器分為計算機 、 儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分 。 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(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心 ， 如圖 所示 ， 其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如 GPIB， VXI， RS232， DAQ 板）和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。由于 VI 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點，當(dāng)用戶的測試要求變化時可以XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 8 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。 圖 虛擬儀器開發(fā)框圖 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng) ， 且功能靈活 ，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。 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(biāo)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(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。 操作系統(tǒng) 虛擬儀器軟件面板 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 底層驅(qū)動程序 硬件模塊 虛擬儀器開發(fā)者 虛擬儀器開發(fā)者 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 9 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。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。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(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和 操作需要來設(shè)計儀器面板。 3） 儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。 5） 虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。 7） 可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。 表 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(hù)費用低 開發(fā)維護(hù)費用高 技術(shù)更新周期短（ ～ 1 年） 技術(shù)更新周期短（ 5～ 10 年） 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 價格低 價格昂貴 開放、靈活與計算機同步，可重復(fù)用和重配 固定 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 10 置 可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 只可連有限的設(shè)備 自動化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 功能單一，操作不便 近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。在當(dāng)前流行的 C/S/D 網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測試效率。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機功能的日益 強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。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]。如圖 所示 。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計日趨模塊化 、 標(biāo)準(zhǔn)化 ， 設(shè)計工作量大大減小 。 系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言 （ 如 LabVIEW） 編寫而成，并可通過 Inter實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。可根據(jù)實際情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡 /板 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、串口儀器 、 USB 等 。 圖 虛擬儀器構(gòu)成方式 1） DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡 是指 基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線 (如 ISA、PCI、 USB 等 )的內(nèi)置 功 能插卡。在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展 ， DAQ 卡的采樣速率已達(dá)1GB/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個，并具有數(shù)字 I/O， 模擬 I/O和計數(shù)器PCDAQ GPIB儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 被測信號 計算機 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 12 /定時器等通道。 在計算機上掛接多個 DAQ 功能 模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。 對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價格比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。 GPIB 的