毕业设计（论文）-基于labview的fir数字滤波器的设计

XX大学2011届本科毕业论文0XX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XX大学2011届本科毕业论文I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；LABVIEWXX大学2011届本科毕业论文IIDESIGNOFFIRFILTERBASEDONLABVIEWABSTRACTNOWADAYSWEAREINTHEDIGITALTIME,THETECHNOLOGYOFDIGITALSIGNALPROCESSAREPAIDEXTENSIVEATTENTIONBYPEOPLEWITHTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGYOFCOMPUTERANDMICROELECTRONICS,THETHEORYANDARITHMETICOFDIGITALSIGNALPROCESSDEVELOPQUICKLY,INSOMEAREASSUCHASDIGITALFILTERSWHICHEXTENSIVELYUSEDINAUDIOANDVIDEOPROCESS,DIGITALCOMMUNICATIONS,FREQUENCYANALYSIS,AUTOCONTROLANDSOONDIGITALFILTERISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPARTOFDIGITALSIGNALPROCESS,WHICHALMOSTAPPEAREDINALLDIGITALSIGNALPROCESSSYSTEMDESIGNINGADIGITALFILTERCOULDHELPUSUNDERSTANDDIGITALSIGNALPROCESSMORECLEARLYTHESOFTWAREUSEDINTHISPAPERISLABVIEWLABVIEWISAKINDOFSOFTWAREBASEDONGRAPHICLANGUAGE,ITHASAVERYSTRONGDATABASEITPROVIDESACONVENIENTANDRELAXEDDESIGNINGENVIRONMENTFORTHEVIDESIGNERITISONEOFTHEMOSTWIDELYUSEDSOFTWARESOTHISPAPERCHOOSESLABVIEWASDESIGNINGSOFTWAREDIGITALFILTERISADISCRETELITSYSTEMWHICHCANACCOMPLISHTHESIGNALFILTERUSINGFINITEPRECISIONARITHMETIC,WITHAGROUPOFDIGITALSIGNALINPUTWHICHARESAMPLEDANDMEASUREDTHROUGHANALOGSIGNALSANDANOTHERGROUPOFCHANGEDDIGITALSIGNALOUTPUTDIGITALFILTERISONEOFTHEIMPORTANTCONTENTSOFDIGITALSIGNALPROCESSCOMPAREDWITHANALOGFILTER,THEDIGITALFILTERHASNTEXCURSION,ISABLETOPROCESSLOWFREQUENCYSIGNAL,THECHARACTERISTICOFFREQUENCYRESPONSEISCLOSETOIDEALVALUE,WITHHIGHPRECISION,ANDEASYTOINTEGRATEDDIGITALFILTERWILLBEMOREUSEFULINTHEFURTHERKEYWORDSDIGITALSIGNALPROCESSDIGITALFILTERVIRTUALINSTRUMENTLABVIEWXX大学2011届本科毕业论文III目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111引言112课题背景1121测控技术的国内外发展现状1122虚拟仪器技术发展趋势313本设计所做的工作6131多通道数据采集系统的设计6132数字滤波器的设计6第二章虚拟仪器721虚拟仪器技术概述7211虚拟仪器的概念7212虚拟仪器的特点及优势7213虚拟仪器和传统仪器的比较8214虚拟仪器测试系统的组成10215虚拟仪器I/O接口设备11216虚拟仪器的软件结构1322虚拟仪器的开发软件14221虚拟仪器的开发语言14222图形化虚拟仪器开发平台LABVIEW14223基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计15第三章系统设计理论1731信号采集理论17XX大学2011届本科毕业论文IV311数据采集技术概论17312采集系统的一般组成及各部分功能描述19313传感器2132信号处理理论21321按冲激响应HN的长度分类21322按有无递归结构分类21323按频域特点分21324按同时处理的变量的个数分2233数字滤波器设计23331IIR无限长数字滤波器设计23第四章设计实现2841数据采集的设计2842滤波器及LABVIEW实现2843调用数字滤波器子程序的几个问题29431调用的时的参数设置294322滤波过程的响应时间30433A/D前的搞混滤波器3044滤波器的设计30441选择滤波器30442数据保存部分31443数据写入部分3245数字滤波器的整个框图33第五章总结与展望35致谢37参考文献38XX大学2011届本科毕业论文1第一章绪论11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。12课题背景121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XX大学2011届本科毕业论文2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RS232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。XX大学2011届本科毕业论文3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。122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11所示。图11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，测量仪器也不模拟仪器电子仪器数字仪器智能仪器虚拟仪器19世纪五十年代20世纪70年代九十年代XX大学2011届本科毕业论文4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。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、RS232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RS232、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VXIVMEEXTENSIONFORINSTRUMENTATION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PXIXX大学2011届本科毕业论文5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。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。13本设计所做的工作131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NIPCIXX大学2011届本科毕业论文66254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。132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ANALYZESIGNALPROCESSINGFILTERS子选项板,最后在FILTERS子选项板中选择BUTTERWORTHFILTERVI图标,选中后在流程图中便出现巴特沃斯滤波器BUTTERWORTHFILTERVI图标,然后,设置BUTTERWORTHFILTERVI的相关参数。XX大学2011届本科毕业论文7第二章虚拟仪器21虚拟仪器技术概述211虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS）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、RS232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。212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21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，RS232，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XX大学2011届本科毕业论文8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21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。213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11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。操作系统虚拟仪器软件面板虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块虚拟仪器开发者虚拟仪器开发者XX大学2011届本科毕业论文9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11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（051年）技术更新周期短（510年）XX大学2011届本科毕业论文10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。214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22所示。图22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RS232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XX大学2011届本科毕业论文11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。215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23所示。图23虚拟仪器构成方式1）DAQDATAACQUISITION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DPCDAQGPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块被测信号计算机XX大学2011届本科毕业论文12AQ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器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。2）GPIBGENERALPURPOSEINTERFACEBUS通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE4881和IEEE4882，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500KB/S，不适合与对系统速度要求较高的应用。3）VXIVMEBUSEXTENSIONFORINSTRUMENTATION是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线14版本被批准为IEEE1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE488的成功经验基础上，增加了10MHZ时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。4）PXIPCIEXTENSIONFORINSTRUMENTATION是COMPACTPCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是COMPACTPCI结构和MICROSOFTWINDOWS软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXX大学2011届本科毕业论文13XI增加了用于多个板卡同步的触发总线和10MHZ参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。PXI兼容COMPACTPCI机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试（温度、湿度、振动和冲击实验）等要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。5）串口系统是以SERIAL标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统10。RS232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS232标准总线接口的仪器作为I/O接口设备，通过RS232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。216虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图24所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LABVIEW和LABWINDOWS/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。硬件驱动程序数据处理用户界面图24虚拟仪器软件结构XX大学2011届本科毕业论文1422虚拟仪器的开发软件221虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有标准C，VISUALC，VISUALBASIC等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有NI公司的LABVIEW，LABWINDOWS/CVI。LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LABWINDOWS/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在WINDOWS环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HPVEE，HPTIG开发平台，美国TEKTRONIX公司的EZTEST，TEKTNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台11。222图形化虚拟仪器开发平台LABVIEWLABVIEWLABORATORYVIRTUALINSTRUMENTENGINEERING是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LABVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS232和RS485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ACTIVEX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LABVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统11。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LABVIEW的市场普及率仅次XX大学2011届本科毕业论文15于C/C语言。LABVIEW具有一系列无与伦比的优点首先，LABVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LABVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序可扩充如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LABVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LABVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。利用LABVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LABVIEW提供了WINDOWS、UNIX、LINUX、MACINTOSHOS等多种版本12。223基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LABVIEW应用程序，即虚拟仪器VI，它包括前面板FRONTPANEL、流程图BLOCKDIAGRAM以及图标/连结器ICON/CONNECTOR三部分。1）前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。2）流程图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面XX大学2011届本科毕业论文16类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。3）图标/连接设计这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LABVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。XX大学2011届本科毕业论文17XX大学2011届本科毕业论文18第三章系统设计理论31信号采集理论该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。311数据采集技术概论在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号XT每隔T时间采样一次。时间间隔T被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数L/T被称为采样频率，单位是采样数/每秒。T0，T，2T，3T等等，XT的数值就被称为采样值。所有X0，XT，X2T都是采样值。这样信号XT可以用一组分散的采样值来表示X0，XT，X2T，X3T，XKT，图31显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是T，注意，采样点在时域上是离散的。图31模拟信号采样图如果对信号XT采集N个采样点，那么XT就可以用下面这个数列表示XX大学2011届本科毕业论文19XX0，XL，X2，X3，XNL这个数列被称为信号XT的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率或T的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号XT的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图32和图33显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。图32合适采样率采样波形图33采样率过低采样波形采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集A/D之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。XX大学2011届本科毕业论文20312采集系统的一般组成及各部分功能描述信号外触发图34数据采集结构图图34表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的BUFFER是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是是否使用缓冲是否使用外触发启动、停止或同步一个操作1）缓冲BUFFERS这里的缓冲指的是PC内存的一个区域不是数据采集卡上的FIFO缓冲，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到BUFFER，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是BUFFER与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用BUFFER意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理图形化、分析等。DAQ板卡A/DBUFFERFIFO（FIFO）驱动程序LABVIEW程序W硬件内存BUFFER显示XX大学2011届本科毕业论文21下列情况需要使用BUFFERI/O需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。需要连续采集或产生AC数据10样本/秒，并且要同时分析或显示某些数据。采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。下列情况可以不使用BUFFERI/O数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。需要缩减存储器的开支。2）触发TRIGGERING触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模拟入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出常称为“TRIGGEROUT”用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。下列情况使用软件触发用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发采集事件定时需要非常准确。用户需要削减软件开支。采集事件需要与外部装置同步。XX大学2011届本科毕业论文22313传感器传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。32信号处理理论321按冲激响应HN的长度分类分为有限冲激响应（FIR）DF和无限冲激响应（IIR）DF两种。冲激响应本来是用于模拟系统，指系统对冲激函数（T）的响应。发展到数字滤波器后，工程上仍沿用这个名称，与单位抽样响应和单位脉冲响应的说法通用。IIRDF和FIRDF在特性、结构、设计方法、运用场合等方面均不相同，本章及下一章将分别对IIRDF和FFRDF的设计进行论述。322按有无递归结构分类分为递归型和非递归型。递归表现为实现过程中出现反馈回路。即将某些输出量反馈到原输入点与原输入量相加。一般来说，IIRDF的HZ有分母，须用递归型结构实现；FIRDF的HZ无分母，用非递归型结构实现。但是FIRDF也可以用递归型结构实现，比如HZ1Z1Z2Z3可以改写然后用递归型结构实现。因此，尽管IIR、FFR与递归非递归有着密切的关系，但它们毕竟是从不同的角度看问题，在概念上不能混为一谈。XX大学2011届本科毕业论文23323按频域特点分分为低通滤波器（LPDF）、高通滤波器HPDF、带通滤波器（BPDF）和带阻滤波器（BSDF）四种。这里要特别强调一点的是数字滤波器的频响是周期的,其重复周期是采样频率F,或者数字频率2，且在每一周期内，幅频特性具有对称性。比如采样频率F8000HZ,数字带通的通带是3003400HZ，那么它的重复周期为8000HZ，由对称性可知46007700HZ也是通带，由周期性可知830011400HZ也是通带，等等。因此，如果你想从020KHZ的信号中虑出14KHZ的频率成分，那么在020KHZ的频率范围内，带通滤波器应该只有14KHZ的通带。因为频响的周期为采样频率F所以在F内与14KHZ相对称的通带F4KHZF1KHZ必须在20KHZ的频率之外，应有F4KHZ20KHZ即F24KHZ则此时带通滤波器的通带范围为14KHZ，2023KHZ，2528KHZ，从而保证了在020KHZ的频率范围内，只有14KHZ的频率成分可以通过该滤波器。因此，所谓低通、高通、，带通、带阻都是指频率F介于0F/2或数字频率介于0的那一段幅频特性而言的。也就是说，数字滤波器处理的频率应该小于F/2关于数字频率，一定要注意它是真实频率于采样频率之比。说一个数字频率低通的带通是001,则时钟为1HZ时是指050HZ，时钟为2HZ时是指0100HZ，时钟为100KHZ时是指05KHZ，是相对频率。324按同时处理的变量的个数分分为一维和多维滤波器。一维滤波器的输入、输出、冲激响应和频响分别是XX大学2011届本科毕业论文24XN、YN、HN、和HEJ,二维滤波器分别是XN,M、YN,M、HN,M和HEJ1,EJ2,三维和三维以上类推。一位滤波器最常用。二维滤波器主要用于图象处理，其用途日益广泛。分类的方法还有很多，比如线性滤波器和非线性滤波器、时变DF和非时变DF、纯振幅DF和纯相位DF、线性相位DF和非线性相位DF等等。33数字滤波器设计331IIR无限长数字滤波器设计一、DF按频率特性分类可分为低通、高通、带通、带阻和全通，其特点为（1）频率变量以数字频率表示，。为模拟角频率，T为抽样时间间隔；（2）以数字抽样频率为周期；2SSFTA（3）频率特性只限于范围，这是因为依取样定理，实际频率特/S性只能为抽样频率的一半。二、DF的性能要求（低通为例）JHE112XX大学2011届本科毕业论文250CST通带截止频率阻带截止频率CSTIIR数字滤波器的系统函数为011FIR数字滤波器设计原理一个截止频率为RADS的理想数字低通滤波器，其传递函数CW表达式是JWDHE,|0,相应的单位取样响应为DHN12SIN由式1和2可以看出，这个滤波器在物理上是不可实现的，因为冲激响应具有无限性和因果性。为了产生有限长度的冲激响应函数，我们取样响应HN，长度为，其系数函数为HZ31310用HN表示截取HN后冲激响应，即HNHNWN，式子中WN为窗函数，长度为N。当TXX大学2011届本科毕业论文26N一12时，截取的一段HN对N一12对称，可保证所设计的滤波器具有线性相位。一般来说，FIR数字滤波器输出YN的Z变换形式YZ与输入N的Z变换形式之间的关系如下011（314）实现结构如图31所示。X（N）H（0）H（1）H（N2）H（N1）图31卷积型FIR滤波器从上面的Z变换和结构图可以很容易得出FIR滤波器的差分方程表示形式。对式4进行反Z变换，可得1211315式314为FIR数字滤波器的时域表示方法，其中N是在时间N的滤波器的输入抽样值。根据式5即可对滤波器进行设计。从上面的公式可以看出，在对滤波器实际设计时，整个过程的运算量很大。设计完成后对已设计的滤波器的频率响应进行校核，运算量也很大。并且在数字滤波器设计的过程中，要根据设计要求和滤波效果不断地调整，以达到设计的最1Z1Z1ZXX大学2011届本科毕业论文27优化。在这种情况下，要进行大量复杂的运算，单纯靠公式计算和编制简单的程序很难在短时间内完成。而利用LABVIEW工具进行计算机辅助设计