基于labview多功能的虚拟数字滤波器设计

基于labview多功能的虚拟数字滤波器设计
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
XX大学
本科生毕业设计说明书（毕
业论文)
学院（系）:XXXXXX
专业：XXXXX
学生姓名：XXX 学号: XXXXXXX
设计（论文)题目:基于多功能DAQ卡的虚拟数字滤波器设计
起迄日
期: 2011 年 3月1日~ 2011 年 6月20日
设计（论文)地点:
指导教
师:XXXX
专业负责
人：
摘要
基于LabVIEW的FIR数字滤波器的设计
当前我们正处于数字化时代，数字信号处理技术受到了人们的广泛关注，其理论及算法随着计算机技术和微电子技术的进步得到了飞速的发展，被广泛应用于语音图象处理、数字通信、谱分析、模式识别、自动控制等领域。

数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中。

设计一个数字滤波器可以有助于我们更好的了解数字信号处理。

本设计所采用的软件是美国NI公司推出的LabVIEW，LabVIEW是一种基于图形化编程语言的开发环境,具有十分强大的数据库。

它为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，是目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件之一。

所以,本文选取LabVIEW作为设计数字滤波器的软件。

数字滤波器是指有完成信号滤波处理的功能，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组(由模拟信号取样和量化的）数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。

相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性。

另外其精度较高,容易集成等，这些特点决定了数字滤波器的应用越来越广泛.
关键词：数字信号处理;数字滤波器；虚拟仪器；LabVIEW
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 computer 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 communications, 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.文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络
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 accomplish 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。

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Key Words：Digital Signal Process; Digital Filter；Virtual Instrument；LabVIEW
目录
摘要.........................................................................................................................
Abstract (I)
第一章绪论 0
1.1 引言 0
1.2 课题背景 0
1。

2。

1 测控技术的国内外发展现状 0
1.2.2 虚拟仪器技术发展趋势 (2)
1.3 本设计所做的工作 (4)
1。

3。

1 多通道数据采集系统的设计 (4)
1。

3.2 数字滤波器的设计 (5)
第二章虚拟仪器 (6)
2。

1 虚拟仪器技术概述 (6)
2.1。

1 虚拟仪器的概念 (6)
2.1。

2 虚拟仪器的特点及优势 (6)
2.1。

3 虚拟仪器和传统仪器的比较 (7)
2。

1.4 虚拟仪器测试系统的组成 (9)
2。

1。

5 虚拟仪器I/O接口设备 (10)
2.1.6 虚拟仪器的软件结构 (12)
2.2 虚拟仪器的开发软件 (12)
2。

2.1 虚拟仪器的开发语言 (12)
2。

2.2 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW (13)
2.2。

3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 (14)
第三章系统设计理论 (16)
3。

1信号采集理论 (16)
3.1.1 数据采集技术概论 (16)
3.1。

2 采集系统的一般组成及各部分功能描述 (18)
3.1。

3 传感器 (19)
3。

2信号处理理论 (20)
3。

2.1 按冲激响应h(n)的长度分类 (20)
3.2。

2 按有无递归结构分类 (20)
3。

2.3 按频域特点分 (20)
3.2。

4按同时处理的变量的个数分 (21)
3。

3 数字滤波器设计 (22)
3.3.1 IIR 无限长数字滤波器设计 (22)
第四章设计实现 (27)
4。

1 数据采集的设计 (27)
4。

2 滤波器及labVIEW实现 (27)
4.3 调用数字滤波器子程序的几个问题 (28)
4.3.1 。

调用的时的参数设置 (28)
4.3。

2 2.滤波过程的响应时间 (29)
4。

3。

3 A/D前的搞混滤波器 (29)
4.4 滤波器的设计 (29)
4。

4。

1 选择滤波器 (29)
4。

4。

2 数据保存部分 (30)
4。

4。

3 数据写入部分 (31)
4。

5 数字滤波器的整个框图 (32)
第五章总结与展望 (34)
致谢 (36)
参考文献 (37)
第一章绪论
1.1 引言
测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。

20世纪70年代以来,计算机、微电子等技术迅猛发展,在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统,计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽［1］。

近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用,尤其是在航空航天等国防科技领域。

网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质,随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。

传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。

因此,这种“监控软件－数据采集系统"构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论［1］。

1.2 课题背景
1.2.1测控技术的国内外发展现状
早期的测控系统采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监控，通过操作盘进行集中式操作;而计算机测控系统是以计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被控对象(生产过程）共同构成的整体。

系统中的计算机实现生产过程的检测、监督和控制功能。

由于通信协议不开放，因此这种测控系统是一个自封闭系
统，一般只能完成单一的测控功能，一般通过接口，如RS-232或GPIB接口可与本地计算机或其他仪器设备进行简单互连［1].
随着科学技术的发展，在我国国防、通信、航天、航空、气象、环境监测、制造等领域，要求测控和处理的信息量越来越大、速度越来越快.同时测控对象的空间位置日益分散,测控任务日益复杂,测控系统日益庞大，因此，提出了测控现场化、远程化、网络化的要求。

传统的单机仪器己远远不能适应大数量、高质量的信息采集要求，产生了由计算机控制的测控系统，系统内单元通过各种总线互连，进行信息的传输。

网络化的测控技术兴起于国外，是在计算机网络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分布式测控的大量需求背景下发展起来。

主要可分为以下几个阶段。

第一阶段：
起始于20世纪70年代通用仪器总线（GPIB)的出现，GPIB实现了计算机与测控系统的首次结合，使得测量仪器从独立的手工操作单台仪器开始走向计算机控制的多台仪器的测控系统.此阶段是网络化测控系统的雏形与起始阶段。

第二阶段:
起始于20世纪80年代VXI标准化仪器总线的出现，VXI系统可以将大型计算机昂贵的外设、VXI设备、通信线路等硬件资源以及大型数据库程序等软件资源纳入网络，使得这些宝贵的资源得以共享。

此阶段是网络化测控系统的初步发展阶段。

第三阶段：
随着技术的发展，现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统(FCS)的迅速发展，使得可以在一个工厂范围内通过总线将成千上万个智能传感器/变送器等智能化的仪表组成一个网络化测控仪器系统,此阶段是网络化测控系统的快速发展阶段。

第四阶段：
在对现代化要求极高的领域，传统的测控系统已经逐渐无法满足用户的要求.
许多部门或大型企业迫切要求构建基于Internet或大型局域网的网络化测控系统,
即通常所说的分布式测控网络，此阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段。

1.2.2虚拟仪器技术发展趋势
虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。

自从1785
年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来,电测仪表和电子仪器
随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速
发展。

有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图1。

1所示。

模拟仪电子仪数字智能仪虚拟仪
器
19世五十年20世70九十
图1.1测量技术的发展
从十九世纪初到二十世纪末,测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。

模拟仪器主要有模拟式电压表、电流
表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。

从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后
随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到
测量仪器。

这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主
要特征。

七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其
影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步.伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进
步和发展，出现了智能仪器.智能仪器是将微机置于仪器内部,使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步.
这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理,可取代部分的脑力劳动。

随着电子技术、微计算机技术的发展,智能仪器的智能水平不断提高。

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但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。

为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生.人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统.1982年美国西北仪器公司总裁德·伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。

卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。

PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱内而组成的。

插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。

虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准,且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容性较差。

在这种情况下,用户自然会提出标准化的要求。

1987年,美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上,联合提出了一种新型总线系统-VXI（VME eXtension For Instrumentation）总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。

1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI 总线标准。

制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

相对VXI 仪器,按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点[2］。

这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器.虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器,灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。

随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，
费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展[3］。

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当今社会正处于一个正在高速发展的状态中，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越高,功能越来越强.先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数据采集系统，甚至是测试网络系统,实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。

然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。

基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。

本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。

1.3 本设计所做的工作
1.3.1多通道数据采集系统的设计
本设计以4个通道进行设计，从传感器来的模拟输入信号,经过信号调理后,输入到NI PCI—6254数据采集卡，然后经过PCI总线送入PC机,由软件进行数据处理，包括数据的平均值滤波，采样波形的实时显示，并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存，边采集边保存，然后通过数据库技术实现了历史数据的检索。

1.3.2数字滤波器的设计
设计的数字滤波器是把采集来的信号，进行滤波,保存打印。

在LabVIEW中设计虚拟数字滤波器，关键问题是要知道滤波器图标的调用路径和合理设置滤波器的有关参数。

比如,要设计一个虚拟数字式巴特沃斯滤波器,其设计过程是在Functions 选项板下次选择Analyze Signal Processing Filters 子选项板，最后在Filters 子选项板中选择Butterworth Filter. vi 图标, 选中后在流程图中便出现巴特沃斯滤波器(Butterworth Filter。

vi）图标,然后,设置Butterworth Filter. vi
第二章虚拟仪器
2.1 虚拟仪器技术概述
2.1.1虚拟仪器的概念
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司(National Instruments）最先提出的。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台,它可代替传统的测量仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器" .该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分.虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器(包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础,将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件(处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

2.1.2虚拟仪器的特点及优势
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件(如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发.源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI)系统提供了基本的软件模块。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块,或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，
当用户从一个项目转向另一个项目时,就能简单地构造出新的VI 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

图2。

1虚拟仪器开发框图 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛.虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” .它功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能,配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯,用户不经培训即可迅速掌握操作规程。

2.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表1-1所示）。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。

在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。

由此
操作系统 虚拟仪器软
虚拟仪器软件底层驱动程序 硬件模块
虚拟仪器虚拟仪器
导致许多识读和操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。

这样,在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。

同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计,不需购买新仪器.
5)虚拟仪器开放、灵活,与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成,而是在软件的支持下,利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据,测试结果的表达方式更加丰富多样。

8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

表1.1 虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器传统仪器
开发维护费用低开发维护费用高技术更新周期短（0。

5～1年）技术更新周期短（5～10年）软件是关键硬件是关键
价格低价格昂贵
开放、灵活与计算机同步,可重复用和重配置固定
可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便
近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。

这是一种新型的基于Web 技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet 的一部分，实现现场监控和管理。

在当前流行的C/S/D 网络模式下，利用嵌入式技术(包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。

2.1.4 虚拟仪器测试系统的组成
虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向.这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器.随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式［9］。

虚拟仪器的组成与传统仪器一样,主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。

如图2。

2所示。

图2.2
虚拟仪器的内部功能的划分 对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。

与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化,设计工作量大大减小。

通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件(如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。

系统软件部分通常用
数据分析和处理 数字信号处理 数据滤波 数据分析 统计分析
采集与控制
插入式数据采集板
GPIB 仪器
VXI/PXI 仪器
RS —232仪器 结果显示 网络通信 硬盘拷贝输出 文件I/O 图形用户接口
专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW ）编写而成，并可通过Internet 实现网络扩展。

2.1.5 虚拟仪器I/O 接口设备
I/O 接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。

可根据实际情况采用不同的I/O 接口硬件设备，如数据采集卡/板（DAQ)、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器、串口仪器、USB 等。

虚拟仪器的构成主要有五种类型[9],如图
2.3所示。

图2.3 虚拟仪器构成方式 1）DAQ （Data Acquisition ）数据采集卡是指基于计算机标准总线（如ISA 、PCI 、USB 等)的内置功能插卡.其中USB 是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ 卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。

在性能上，随着A/D 转换技术,滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ 卡的采样速率已达1GB/s,精度高达24位,通道数高达64个，并具有数字I/O ，模拟I/O 和计数器/定时器等通道.各仪器厂家生产了大量的DAQ 卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。

在计算机上挂接多个DAQ 功能模块,配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器.这种基于计算机的仪
PC-DAQ GPIB 仪串口仪VXI 模PXI 模
被测信计算。