智能化测控技术课程设计—基于LABVIEW虚拟滤波器的设计.doc

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1、智能化测控技术课程设计智能化测控技术课程设计 基于 LABVIEW 虚拟滤波器的设计 学生姓名： 指导教师： 专 业： 电子信息工程 班 级： D0741 学 号： 08 设计时间： 2011 年 1 月 3 日至 2011 年 1 月 20 日 实验地点： 新实验楼 524 I 摘要摘要 传统仪器是由厂家设计并定义好功能的封闭式机构，每种仪器实现一种特 定的功能。随着计算机技术和传统仪器仪表技术的结合，在必要的数据采集硬 件和计算机的帮助下，通过软件实现仪器的全部功能的新式仪器虚拟仪器 出现了。虚拟仪器技术作为新型的构造仪器技术，它可以部分实现甚至全部实 现物理仪器功能。与传统仪器相比具有许

2、多优点：对测试量的处理和计算可更 复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和 交换测试数据，价格 低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定 义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。 数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它实现对信号的滤波、提取、 增强信号的有用分量、削弱无用的分量。经典滤波器的特点是输入信号中的有 用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带，通过一个合适的选频 滤波器达到滤波目的。但如果信号和干扰的频率相重叠，那么经典滤波器将无 能为 力，这时需要采用现代滤波器，如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤

3、波器等。从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类，数字滤波器可以分为无限 脉冲相应滤波器和有限脉冲相应滤波器。与 IIR 相比，FIR 数字滤波器能够被 设计成具有线性相位特性的滤波器。因此，它在要求具有线性相位的应用场合 具有广泛的应用。数字滤波器的设计方法很多，其中较为常用的是窗函数设计 法和频率采样设计法。本文介绍一种利用窗函数设计的虚拟滤波器。 关键字关键字：数字滤波器，IIR，Labview,虚拟仪器 II Abstract Traditional instruments is defined by manufacturer to design and good function of

4、closed-end institutions, each instrument to a particular functions. Along with the computer technology and traditional instruments technique combined with the necessary data acquisition, with the help of computer hardware and software realization instrument, through all of the functions of new instr

5、uments, virtual instrument appeared. The virtual instrument technology as a new type of structural instrument technology, it can be implemented partially or all realize physical instrument function. Compared with the traditional instruments has many advantages: to test amount of processing and calcu

6、lation can be more complicated and processing speed faster, test results express way more diverse, which can be conveniently storage and exchange test data, low prices, technical updates faster. Its the biggest characteristic is made up of instrument manufacturer definition instrument function mode

7、change by user define instrument function and meet various application requirements. Digital filter is digital signal analysis, it is an important part of realization to signal filtration, extraction, enhance signal useful component, weaken useless weight. Classical filter is characteristic of the i

8、nput signals in the useful frequency components and hope filter of each frequency component occupy different frequency band, through a proper frequency selective filter to filter purpose. But if the signal and interference of frequency phase overlap, then classical filter will, at this moment need t

9、o force incompetent adopts modern filter, such as wiener filter, kalman filter, adaptive filter, etc. 智能测控设计论文 III Out of the proceeds from the network structure or from unit pluse response classification, digital filters can be divided into infinity impulse corresponding filters and finite impulse

10、corresponding filters. Compared with IIR, FIR digital filters can be designed with linear phase characteristic of filters. Therefore, it requires a linear phase applications have extensive application. The design of the digital filter method are many, among the more common is window function design

11、method and frequency sampling design method. This paper introduces a use of window function design of virtual filter. Key word: digital filters, IIR Labview, virtual instrument IV 引言引言 正常情况下，电力系统中三项电力是对称的，它们之间满足一定的幅值和 相位条件，但当负载变化时，系统受到影响，波形会发生畸变。随着经济的发 展，许多非线性电力负荷投入使用，使电网中谐波分量猛增，而电力系统微机 保护和二次控制中，很多信

12、号的处理和分析是基于基波和某些整次谐波的，因 此，滤波器一直是电力系统二次装置中的关键部件。 目前，微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器，传统的数字滤 波器设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其 是高阶滤波器时工作量很大，实验室虚拟仪器使用 G 语言编程，可以快速有效 地实现数字滤波器设计与仿真，由于 G 语言编程具有很多优点，因此基于 Labview 设计的数字滤波器具有告诉、灵活、界面友好、集成性强、费用低， 用户自定义功能强等诸多优点。 虚拟滤波器主要是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自 己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。数字滤波器是

13、数字信号分析中的 重要组成部分，它实现对信号的滤波、提取、增强信号的有用分量、削弱无用 的分量。经典滤波器的特点是输入信号中的有用的频率成分和希望滤除的频率 成分各占有不同的频带，通过一个合适的选频滤波器达到滤波目的。但如果信 号和干扰的频率相重叠，那么经典滤波器将无能为 力，这时需要采用现代滤波 器，如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等。从实现的网络结构或从 单位脉冲响应分类，数字滤波器可以分为无限脉冲相应滤波器和有限脉冲相应 滤波器。与 IIR 相比，FIR 数字滤波器能够被设计成具有线性相位特性的滤波 器。因此，它在要求具有线性相位的应用场合具有广泛的应用。数字滤波器的 设计方法很

14、多，其中较为常用的是窗函数设计法和频率采样设计法。 目录 摘要.I ABSTRACTII 引言IV 第一章 绪论1 1.1 国内外发展现状1 1.2 选题意义2 第二章 基于 LABVIEW 虚拟滤波器的设计 .3 2.1 LABVIEW简介.3 2.2 基于LABVIEW的数字滤波器设计3 2.3 数字滤波器的选择步骤4 第三章 软件设计6 3.1 前面板的设计 6 3.2 流程图的设计7 第四章 总结与展望9 致谢1 参考文献1 附录 智能化测控技术设计论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 国内外发展现状国内外发展现状 在目前的测试领域中，越来越广泛地利用相关检测的方法进行滤波，利用

15、相关滤波可以方便地从复杂的待测信号（包括有用信号、直流偏置、随机噪声 和谐波频率成分等）中分离出某一特定频率的信号，在数字技术迅速发展以后， 相关滤波也经常利用 A/D 板对信号采样后，在计算机中实现，成为数字滤波器 的一种形式，本文设计了一种实现相关滤波的方法，这是相关分析在测试技术 中的一个典型应用。Labview 是美国国家仪器公司推出一种基于“图形”方式的 集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，在以 PZ 机为基础的测量和工控软件中，Labview 的市场普及率仅次于 C+/C 语言， Labview 开发环境具有一系列优点，从流程图式的编程，不需要预先编译就存

16、在语法检测和调试过程使用的数据指针，到其丰富的函数、数值、信号处理和 设备驱动等功能，应用 Labview 进行滤波器设计，效率高，操作简单，并能对 误差精度进行实时调整，把传统仪器利用 Labview 用软件的方法来实现，开发 周期短，易于维护和升级，可以设计出传统仪器所不能比拟的虚拟仪器，“软件 就是仪器”这就是虚拟仪器技术的精髓。 传统仪器是由厂家设计并定义好功能的封闭式机构，每种仪器实现一种特 定的功能。随着计算机技术和传统仪器仪表技术的结合，在必要的数据采集硬 件和计算机的帮助下，通过软件实现仪器的全部功能的新式仪器虚拟仪器 出现了。虚拟仪器技术作为新型的构造仪器技术，它可以部分实现

17、甚至全部实 现物理仪器功能。与传统仪器相比具有许多优点：对测试量的处理和计算可更 复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和 交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定 义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。 第一章 绪论 2 1.2 选题意义选题意义 数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它实现对信号的滤波、提 取、增强信号的有用分量、削弱无用的分量。经典滤波器的特点是输入信号中 的有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带，通过一个合适的 选频滤波器达到滤波目的。但如果信号和干扰的频率相重叠，那

18、么经典滤波器 将无能为 力，这时需要采用现代滤波器，如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适 应滤波器等。从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类，数字滤波器可以分为 无限脉冲相应滤波器(Infinite impulse respose，IIR)和有限脉冲相应滤波器 (Finite impulse respose，FIR)。与 IIR 相比，FIR 数字滤波器能够被设计成具 有线性相位特性的滤波器。因此，它在要求具有线性相位的应用场合具有广泛 的应用。数字滤波器的设计方法很多，其中较为常用的是窗函数设计法和频率 采样设计法。本文介绍一种利用窗函数设计的虚拟滤波器。 LabVIEW 为设计者提供了 FIR

19、和 IIR 滤波器 VI，使用起来非常方便， 只需要输入相应的指标参数即可，不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。 滤波器 VI 位于 LabVIEW 流程图面板的 FunctionAnalyzeSignal ProcessingFilters 上。基于 LabVIEW 的 IIR 数字滤波器的设计 不同滤波器 VI 滤波时均有各自的特点，因此它们用途各异。在利用 LabVIEW 实现滤波功能时，选择合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可 参照不同滤波器的特点，考虑滤波的实际要求来选择合适的滤波器。 智能化测控技术设计论文 3 第二章第二章 基于基于 Labview 虚拟滤波器的设计虚拟滤波器

20、的设计 2.1 labview 简介简介 LabVIEW 是 NI（National INSTRUMENT，美国国家仪器）公司推出的 一种基于 G 语言的虚拟仪器（virtual INSTRUMENT，VI）开发工具。 LabVIEW 编程使用图形化语言，它是非计算机专业人员使用的工具，它为设 计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，因此，LabVIEW 在世界范围内的众 多领域如航空、航天、通信、电力、汽车、化学等领域得到广泛应用。 LabVIEW 有两个基本窗口：前面板窗口和流程图窗口。编译环境下显示 两个窗口，前面板用于放置控制对象和显示对象，控制对象相当于常规仪器的 控制和调节按钮；前面板

21、用于显示程序运行结果，相当于常规仪器的显示屏幕 或指针。流程图窗口用于编写和显示程序的图形源代码，它相当于语言编程中 一行行的语句，它由各种能完成一定功能的模块通过连线连接而成。当编写的 LabVIEW 程序调试无误后，可将程序编译成应用程序。此时，设计的虚拟仪 器可以脱离 LabVIEW 开发环境，用户只需通过前面板进行控制和观测。 2.2 基于基于 labview 的数字滤波器设计的数字滤波器设计 数字滤波器的传统设计过程可归纳为以下三个步骤： (1)按照实际需要确定滤波器的性能要求。 (2)用一个因果稳定的系统函数(即传递函数)去逼近这个性能要求。此函数 可以分为两类：即 IIR 传递函

22、数和 FIR 传递函数。 (3)用一个有限精度的运算去实现这个传递函数。 FIR 滤波器设计实质是确定能满足要求的转移序列或脉冲响应的常数，设 计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。目前，FIR 滤波 器设计没有封闭的设计公式。虽然窗函数法对窗口函数可给出计算公式，但计 算通带与阻带衰减仍无计算公式。FIR 滤波器的设计只有计算程序可循，因此 对计算工具要求较高，不用计算机编程一般很难实现。 第二章 基于 Labview 虚拟滤波器的设计 4 IIR 滤波器的设计源于模拟滤波器设计，它通过对低通滤波器进行模拟频 率变换得到。常用的 IIR 滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器

23、、切比雪 夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。目前，IIR 滤波器的设计可以借助 模拟滤波器的成果，有封闭形式的设计公式，对计算工具的要求不高。 IIR 滤波器的设计虽然简单，但脱离不了模拟滤波器的设计模式，主要用 于设计低通、高通、带通及带阻滤波器。而 FIR 滤波器的设计要灵活得多，尤 其是频率采样设计法更易适应各种幅度特性和相位特性的要求。 电力系统滤波器可以从电力信号中将所需频段的信号提取出来并将干扰信 号滤除或大大衰减。利用 LabVIEW 可以设计出满足电力系统需要的滤波器， 利用 LabVIEW 设计的 IIR 数字滤波器前面板，前面板上有参数设置、波形显 示两个区域。在参数设置

24、区域有六个设置项：滤波器选择、滤波器类型、下截 止频率、上截止频率、采样频率、阶次、纹波、衰减；选择的滤波器不同时， 需要设置的项也不同。波形显示区域用于显示滤波前后的波形，在此区域可直 观地看出滤波效果。 利用 LabVIEW 实现的数字滤波，采用了图形语言编程，与采用文本语言 编程相比，能缩短 40%70%的开发时间；与硬件仪器相比，又具有容易调整 滤波器类型、降低成本、滤波效果直观等优点。基于 LabVIEW 编写的程序还 可以将其作为子程序在其他虚拟仪器系统中调用，大大增强了程序的通用性。 2.3 数字滤波器的选择步骤数字滤波器的选择步骤 LabVIEW 为设计者提供了 FIR 和 I

25、IR 滤波器 VI，使用起来非常方便，只 需要输入相应的指标参数即可，不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。滤 波器 VI 位于 LabVIEW 流程图面 FunctionAnalyzeSignalProcessingFilters 上。不同滤波器 VI 滤波时 均有各自的特点，因此它们用途各异。在利用 LabVIEW 实现滤波功能时，选择 合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可参照不同滤波器的特点，考虑滤波 的实际要求来选择合适的滤波器。各种滤波器的特点及选择滤波器的步骤见下 图。 智能化测控技术设计论文 5 图 2-1 数字滤波器选择步骤 第三章 软件设计 6 第三章第三章 软件设计软件设

26、计 3.1 前面板的设计前面板的设计 在 Labview 环境下开发的应用程序称为 VI（Virtual Instrument）。VI 是 Labview 的核心，有一个人机交互的界面前面板，和相当于源代码功能的 菜单框图程序后面板组成，前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量 和显示量两类对象。在前面板中，控制量模拟了仪器的输入装置并把数据提供 给 VI 的框图程序，例如开关、旋钮等，而显示量则是模拟了仪器的输入装置并 显示由框图程序获得或产生的数据，例如用于显示波形的窗口等。后面板又称 为代码窗口或流程图，是 VI 图形化的源程序，在流程图中对 VI 编程，以控制 和操纵定义在前面板上的输

27、入和输出等功能，流程图中包括前面板上没有但编 程必须有的对象，如函数、结构和连线等2。 前面板如图 3-1 所示，由以下几个部分组成：参考信号的参数设置、待处理 信号的参数设置、滤波结果的实时显示以及原始信号的波形图和滤波结果的波 形图，可以设置参考信号的幅值和频率，也可以对 3 路正弦信号设置频率幅值 和相位，程序成功运行后就可以从滤波实时显示区得到滤波结果的频率幅值和 初相位，同时在波形显示区中也可以得到相应的波形，使结果更为直观地反映 出来。 数字滤波器的前面板如下图所示。前面板用于设置输入数值和观察输出量， 用于模拟真实滤波器的前面板。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟滤波器控 制软件的

28、核心。在设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁，用户能通过 面板上的各种按钮、开关等控键来控制虚拟滤波器的工作。实际中的待测信号 可以由 数据采集卡实时采集滤波，也可以由数据采集卡采集后保存为 LabVIEW 所能够识别的文件形式，之后再由 LabVIEW 进行分析滤波。在这里 用基本的信号(正弦波，余弦波，方波，锯齿波)来模拟原始信号。程序采用窗 函数法的计算流程，将窗函数与需要滤波的信号进行卷积实现信号的滤波。使 用者可对原始信号， 噪声信号和滤波器参数进行设置。原始信号的波形图，滤 智能化测控技术设计论文 7 波的结果都可得到实时显示。这样，在程序成功的运行后就可以从显示区得到 结果，

29、使结果更为直观的反映出来。 图 3-1 前面板的设计 3.2 流程图的设计流程图的设计 本数字滤波器的后面板即程序代码框图如图 3-2 所示。框图程序是由节点、 端点、图框和连线四种元素构成的。节点类似于文本语言程序的语句、函数或 者 子程序。框图中的每一个对象端点与前面板上的对象(控制或显示)一一对应。 不同的线型代表不同的数据类型，在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予 以强调。后面板如图 3-2 所示，后面板中的控件与前面板中的控件相对应，并 且通过连线、添加程序以及加入各种信号等措施进行编程，实现自相关滤波的 功能，同时通过在前面板设置各种不同的参数，成功地运行程序，实现所要求 的目标

30、，为了实现这一功能，笔者又添加了激励信号源、滤波器加法器和乘法 器等各种运算器，经过运行程序，测试结果显示能够实现从一个包含多种频率 成分的信号中提取出所需单一频率信号的功能，相当于实现了滤波，由于这种 滤波的思路是从相关函数的定义出发的，因此成为相关滤波器。 第三章 软件设计 8 在这里，用仿真信号发生器来模拟待测的信号，在实际中这个待测信号通 常由数据采集卡采集得到，输入的待测信号为 3 路正弦信号的叠加，需要从中 检测出 20Hz 的信号，这个测试 VI 实现了相关滤波过程的动态显示，使用了循 环结构。 图 3-2 滤波器的后面板 智能化测控技术设计论文 9 第四章第四章 总结与展望总结

31、与展望 本文作者创新点：采用 Labview 设计了一虚拟数字滤波器，该虚拟数字滤 波器能够将带有干扰信号的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号按照要求 进行 滤波，具有人机交互性好、易于操作等特点，能够广泛的应用于教学。虚拟仪 器已经为越来越多的人所使用和接受，因为虚拟仪器系统更快速简捷和方便， 也可以节省硬件资源。通过虚拟滤波器设计，可对虚拟仪器有更深的理解和领 悟，也为以后进行更进一步的研究提供了基础。数字滤波器可以通过编程实现 各种不同系统，满足不同的需要，又可以随时改动系数，调整滤波器参数，选 择最佳方案。使用 LabVIEW 软件平台开 发电气参数测量仪等虚拟仪器。实现了 更高的效率，

32、节省了更多的硬件开销，方便了系统的维护和减轻了仪器更新的 负担。使用虚拟仪器逐步代替传统仪器已经成为测试领域发展的趋势。但是在 实际应用中，仍要根据具体情况进行程序的优化和软硬件的结合，使虚拟仪器 发挥更高的性能。 致谢 1 致谢致谢 课程设计，实际上就是综合的运用所学知识去分析、解决一个问题，在做 课程设计的过程中，把所学知识梳理一遍，它既是一次检阅，又是一次锻炼。 在设计中，我遇到过很多问题，但是我在设计的这一段时间里查询了大量的资 料：硬件设计、程序编写测试与调试，并且在指导老师的帮助下我学会和懂得 了很多，逐渐完成了对硬件电弧与软件编程两方面设计，掌握了硬件调试、软 件调试基本方法，掌

33、握了从子程序到总程序、从基本功能到复杂功能等程序编 写的基本思路及方法。 首先要衷心的感谢的是我的指导老师，王冬梅老师和杨树臣老师。在我学 习期间不仅传授了知识上的秘诀，更教育了我做人的准则。这些都将使我终生 受益。无论是在理论学习阶段，都得到了两位老师无微不至的悉心指导和帮助。 我愿借此机会向导师表示衷心的感谢！其次要感谢所有教育过我的老师！是你 们缠手给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。我还要 向关心和支持我学习的朋友们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关系、关注和 支持！ 参考文献 1 参考文献 1 丁玉美，高西全.数字信号处理M.西安：西安电子科技大学出版社， 2003

34、。 2 Robert H.Bishop 美.LabVIEW7 实用教程M.北京：电子工业出版 社，2005。 3 Instrumnts Catalogue. U.S. National Instruments，2003。 4 周伟林，杨华勇，李清峰.基于 LabVIEW 的数字滤波器的设计J .微 计算机信息，2006，5-1：163-164。 5 郑莹娜.随机信号再线相关分析系统和研究.自动化仪表，1993 6 杨乐平.labview 高级程序设计.北京清华大学出版社.2003 7 王宏禹.数字信号处理专论.北京国防工业出版社.1995 附录 附录附录 图 1 数字滤波器的输入输出信号波形