基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器的方法

1、基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器的方法來(lái)源：計(jì)測(cè)網(wǎng) 日期：2010-7-19 點(diǎn)擊：354 所屬分類(lèi)：PC-Based 顯示控制儀表摘 要：虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本文介紹了虛擬儀器的特點(diǎn)，應(yīng)用以及基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器的方法。關(guān)鍵詞：FIR數(shù)字濾波器;LABVIEW;程序設(shè)計(jì)1 引言傳統(tǒng)儀器是由廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的封閉式機(jī)構(gòu)，每種儀器實(shí)現(xiàn)一種特定的功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的結(jié)合，在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和計(jì)算機(jī)的幫助下，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能的

2、新式儀器虛擬儀器出現(xiàn)了。虛擬儀器技術(shù)作為新型的構(gòu)造儀器技術(shù)，它可以部分實(shí)現(xiàn)甚至全部實(shí)現(xiàn)物理儀器功能。與傳統(tǒng)儀器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)測(cè)試量的處理和計(jì)算可更復(fù)雜且處理速度更快，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣，可以方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，價(jià)格 低，技術(shù)更新快。它的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩?hù)自己定義儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)分析中的重要組成部分，它實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、提取、增強(qiáng)信號(hào)的有用分量、削弱無(wú)用的分量。經(jīng)典濾波器的特點(diǎn)是輸入信號(hào)中的有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶，通過(guò)一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波目的。但如果信號(hào)和干擾

3、的頻率相重疊，那么經(jīng)典濾波器將無(wú)能為 力，這時(shí)需要采用現(xiàn)代濾波器，如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等。從實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或從單位脈沖響應(yīng)分類(lèi)，數(shù)字濾波器可以分為無(wú)限脈沖相應(yīng)濾波器(Infinite impulse respose，IIR)和有限脈沖相應(yīng)濾波器(Finite impulse respose，F(xiàn)IR)。與 IIR相比，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器能夠被設(shè)計(jì)成具有線性相位特性的濾波器。因此，它在要求具有線性相位的應(yīng)用場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法很多，其中較為常用的是窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率采樣設(shè)計(jì)法。本文介紹一種利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)的虛擬濾波器。2 LabVIEW軟件主要功能和特點(diǎn)LabV

4、IEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是由美國(guó)國(guó)家儀器NI(National Instrument)公司推出的世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開(kāi) 發(fā)系統(tǒng)。它的目標(biāo)就是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作，提高編程效率。是目前應(yīng)用范圍最廣，功能最為強(qiáng)大的虛擬儀器平臺(tái)。LabVIEW的高級(jí)軟件庫(kù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處 理能力，包括信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、測(cè)量、數(shù)據(jù)濾波、概率統(tǒng)計(jì)、線性代數(shù)、曲線擬合、數(shù)值分析等多種軟件分析功能。LabVIEW使用可視化技術(shù)建立 人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制

5、對(duì)象，如表頭、旋鈕、開(kāi)關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。由于虛擬儀器的測(cè)試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過(guò)修改虛擬儀器的軟件來(lái)改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了軟件就是儀器的設(shè)計(jì)思想。LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制從宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(如C)中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在 LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。從本質(zhì)上講，它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式(Data Flow Mode)，這種方式確保了程序中的函數(shù) 節(jié)點(diǎn)( Function Node)只有在獲得它的全部數(shù)據(jù)后才能夠被執(zhí)行。也就是說(shuō)，在這種數(shù)據(jù)流程序的概念中，程序的執(zhí)行是數(shù)據(jù)驅(qū)

6、動(dòng)的，它不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影。LabVIEW 支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的LabVIEW 應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟因此，如果M選得較大，可以保證在窗口內(nèi) 有效值逼近 。實(shí)際計(jì)算(3)式，可以用 的M點(diǎn)采樣值，進(jìn)行M點(diǎn)IDFT(IFFT)得到。第二步：根據(jù)對(duì)過(guò)渡帶及阻帶衰減的要求，選擇窗函數(shù)的形式，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。設(shè)待求濾波器的過(guò)渡帶用 表示，它近似等于窗函數(shù)主瓣寬度。因過(guò)渡帶 近似與窗口長(zhǎng)度N 成反比， ，A決定于窗口形式，例如，矩形窗A=4，哈明窗A=8等。按照過(guò)渡帶及阻帶衰減情況，選擇窗函數(shù)形式。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下

7、，盡量選擇主瓣窄的窗函數(shù)。第三步：計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)h(n)，(5)(5)式中 是上面選擇好的窗函數(shù)。若要求線性相位，則要求 與和 均對(duì)(N-1)/2對(duì)稱(chēng)。第四步：用(1)式驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。若不滿足則根據(jù)具體情況重復(fù)二，三，四步，直到滿足要求。4 軟件實(shí)現(xiàn)4.1前面板的設(shè)計(jì)圖1為設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的前面板。前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)濾波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶(hù)，是虛擬濾波器控制軟件的核心。在設(shè)計(jì)這部分時(shí)，主要考慮界面美觀、操作簡(jiǎn)潔，用戶(hù)能通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控鍵來(lái)控制虛擬濾波器的工作。實(shí)際中的待測(cè)信號(hào)可以由 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集濾波，也可以

8、由數(shù)據(jù)采集卡采集后保存為L(zhǎng)abVIEW所能夠識(shí)別的文件形式，之后再由LabVIEW進(jìn)行分析濾波。在這里用基本的信號(hào)(正弦波，余弦波，方波，鋸齒波)來(lái)模擬原始信號(hào)。程序采用窗函數(shù)法的計(jì)算流程，將窗函數(shù)與需要濾波的信號(hào)進(jìn)行卷積實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波。使用者可對(duì)原始信號(hào)， 噪聲信號(hào)和濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。原始信號(hào)的波形圖，濾波的結(jié)果都可得到實(shí)時(shí)顯示。這樣，在程序成功的運(yùn)行后就可以從顯示區(qū)得到結(jié)果，使結(jié)果更為直觀的反映出來(lái)。4.2 流程圖的設(shè)計(jì)本數(shù)字濾波器的后面板即程序代碼框圖如圖2所示。框圖程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)類(lèi)似于文本語(yǔ)言程序的語(yǔ)句、函數(shù)或者 子程序。框圖中的每一個(gè)對(duì)象端點(diǎn)與前

9、面板上的對(duì)象(控制或顯示)一一對(duì)應(yīng)。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類(lèi)型還以不同的顏色予以強(qiáng)調(diào)。圖1 數(shù)字濾波器的前面板圖2 濾波器的后面板5 結(jié)論數(shù)字濾波器可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種不同系統(tǒng)，滿足不同的需要，又可以隨時(shí)改動(dòng)系數(shù)，調(diào)整濾波器參數(shù)，選擇最佳方案。使用LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi) 發(fā)電氣參數(shù)測(cè)量?jī)x等虛擬儀器。實(shí)現(xiàn)了更高的效率，節(jié)省了更多的硬件開(kāi)銷(xiāo)，方便了系統(tǒng)的維護(hù)和減輕了儀器更新的負(fù)擔(dān)。使用虛擬儀器逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器已經(jīng)成為測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，仍要根據(jù)具體情況進(jìn)行程序的優(yōu)化和軟硬件的結(jié)合，使虛擬儀器發(fā)揮更高的性能。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用Labview設(shè)計(jì)了一虛擬數(shù)字濾波器，該虛擬數(shù)字濾波器能夠?qū)в懈蓴_信號(hào)的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號(hào)按照要求 進(jìn)行濾波，具有人機(jī)交互性好、易于操作等特點(diǎn)，能夠廣泛的應(yīng)用于教學(xué)。參考文獻(xiàn)：1 丁玉美，高西全.數(shù)字信號(hào)處理M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003。2 Robert H.Bi