平滑滤波器设计与应用.docx

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平滑滤波器设计与应用

平滑滤波器设计与应用

摘要

虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，即以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计和定义其功能，具有虚拟仪器面板，由测试软件实现其测试功能的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器与传统仪器一样，具有信号采集与控制、信号分析与处理、结果表达与输出这些基本功能，只是这些功能是利用现有的计算机，配以必要的硬件和专用软件实现的。

设计要求使用被工业、学术和研究实验室普遍接受的仪器控制软件LabVIEW图形化的编程软件实现。

滤波器是非常重要的电子器件，在做实验、进行产品研制和调试以及系统测试中都是必不可少的。

其作用是消除干扰杂讯，将输入或输出经过过滤而得到纯净的信号。

平滑滤波器是一种低通滤波器，是在空间域实现的一种滤波器，通过缩小高频，扩大低频去除某些噪声，而且滤波器的阶数越高，值越均匀，滤波效果越好数。

基于LabVIEW平台设计的滤波器可以通过面向应用的系统结构，由用户自行设定功能，方便的与网络设备、外设和其它设备连接。

滤波器输入输出依据软件产生，使用灵活，便于修改，且成本低廉。

关键词：

labview，波形生成，平滑滤波

1虚拟仪器概述

在过去的20年中，PC机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展。

虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）是计算机技术、现代测控技术和电子仪器技术相互结合、渗透的产物。

他是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。

他的出现促使测量仪器与计算机之间的界限消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革命。

1.1虚拟仪器的概念

所谓虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能有软件实现的一种计算机仪器系统。

用来完成传统仪器的功能。

使用者用鼠标点击虚拟面板，就可以操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用的电测仪器。

虚拟仪器的出现，是测量仪器与个人计算机的界限模糊了。

虚拟仪器是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出的检测结果，利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统[1]。

1.2虚拟仪器的发展

电子测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程。

模拟仪器、数字化仪器、智能仪器、虚拟仪器。

第一代：

模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。

如指针式万用表、晶体管电压表等。

第二代：

数字式仪表，这类仪表目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。

这类仪表将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。

第三代：

智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。

但是它的功能块全部以硬件（或固化的软件）形式存在的，无论是在开发还是在应用中，都缺乏灵活性。

第四代：

虚拟仪器，它是现代计算机技术。

通信技术和测量技术相结合的产物，它对传统的仪器概念进行了一次巨大变革，是将来仪器产业的发展的重要方向之一。

1.3虚拟仪器的特点

独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此用户通常都不能对其加以扩展或自定义其功能。

仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是独一无二的，另外开发这些仪器必须要用专门的技术和高成本的原部件，从而使他们身价颇高且不易更新，而虚拟仪器测试系统的功能可以由用户根据需要自行设计软件来定义或扩展，而不是只能由厂家事先定义且固定不可改变。

这样，用户不必购买多种不同功能的传统仪器，不必购买昂贵的集多种功能于一身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。

因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互连，用户只需改变软件程序就可不断赋予它或扩展增强它的测试能力。

这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。

虚拟仪器开创了一起使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益，而且使用仪器解决方案可以大幅降低资金成本、系统开发成本和系统维护成本，同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质量。

虚拟仪器的特点可归纳为：

1）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能。

2）仪器的功能是根据需要由软件来定义的，而不是实现由厂家定义好的。

3）仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器。

4）研究周期较传统仪器大为缩短。

2各元件功能介绍

图1正弦波信号的生成

图1是生成正弦波元件，此元件生成一个正弦波的数组。

图2Savitzky-Golay滤波器系数

图2是【Savitzky-Golay滤波器系数】，设计一个Savitzky-GolayFIR平滑滤波器，该VI返回Savitzky-Golay滤波器系数和差分滤波器系数。

图3高斯白噪声

图3是高斯白噪声，产生一个高斯分布的伪随机信号，其统计分布为（micro，sigma）=（0，S），其中S是标准差。

图4数组大小

图4是【数字大小】，用于返回数组每个维度的元素个数。

图5数组子集

图5为【数组子集】，用于返回数组的一部分，从索引处开始，包含长度个元素。

图6索引数组

图6是【索引数组】，返回n维数组的索引位置的元素和子数组。

图7矩阵A*B

图7是【矩阵A*B】，是两个输入矩阵或一个输入矩阵和输入向量相乘。

连接至A乘B输入端的数据类型决定所使用的多态实例。

图8点积

图8是【点积】，计算X向量和Y向量的点积，连接至X向量和Y向量输入端的数据类型决定所使用的多态实例。

图9FFT功率谱连接线

图9是【FFT功率谱】，两个FFT功率谱输出通过后边的“创建数组”构成一个二维数组输出。

图10创建数组

图10是【创建数组】，用于连接多个数组或向N维数组添加元素。

图11For循环

图11是【For循环】，将连接到总数（N）接线端的值n作为执行循环次数子程序框图的。

计算接线端（i）提供了当前的循环总数，其取值在0~n-1范围内。

3程序制作

2.1前面板的制作

1.在前面板界面，右击调出控件面板，选择【Express】/【数值输入控件】/【数值输入控件】。

根据需要选择个数，用编辑文本工具分别命名为单测数据点数、多项式阶数、采样。

2.在前面板界面，右击调出控件面板，选择【Express】/【图形显示控件】/【波形图】。

调整到合适的大小，如下图所示。

图12前面板设计总图

2.2程序框图制作

1.在函数选板上单击【编程】/【结构】/【For循环】，并将其拖放在合适的位置。

2.在函数选板上单击【信号处理】/【信号生成】/【正弦波】，并将其拖放在合适的位置。

3.在函数选板上单击【信号处理】/【信号生成】/【高斯白噪声】，并将其拖放在合适的位置。

4.在函数选板上单击【信号处理】/【滤波器】/【Savitzky-Golay滤波器】，并将其拖放在合适的位置。

5.在函数选板上单击【编程】/【数组】/【数组大小】，并将其拖放在合适的位置。

6.在函数选板上单击【编程】/【数组】/【数组子集】，并将其拖放在合适的位置。

7.在函数选板上单击【编程】/【数组】/【索引数组】，并将其拖放在合适的位置。

8.在函数选板上单击【数学】/【线性代数】/【矩阵A*B】，并将其拖放在合适的位置。

9.在函数选板上单击【数学】/【线性代数】/【点积】，并将其拖放在合适的位置。

10.在函数选板上单击【编程】/【数组】/【创建数组】，并将其拖放在合适的位置。

11.在函数选板上单击【数学】/【数值】/【加】，同理添加【加1】，根据需要添加个数并将其拖放在合适的位置。

元件都放置好后，用工具选板上的【进行连线】工具进行连线。

练好后结果如下图[3]。

图13程序面板设计总图

VI编好后，给前面板赋值。

如图14

图14赋值后的前面板

运行结果如图15

图15前面板运行结果图

最后把编写好的VI进行保存。

4软件打包

1）单击菜单栏中的“文件”，选择“新建”选项，在新打开的对话框中选择“项目”，并选择确定关闭窗口；

2）在新弹出的“项目浏览器”窗口下，选择“项”选项卡，右键单击“我的电脑”，并在弹出快捷菜单中依次选择“新建”、“虚拟文件夹”[9]；

3）右键单击2）中新建的“新文件夹”，在弹出的快捷菜单中依次选择“添加”、“文件”，在新打开的窗口中选择4软件测试中保存的文件“平滑滤波器设计与应用.vi”；

4）右键单击“项”选项卡下的“程序生成规范”，在弹出的快捷菜单中依次选择“新建”、“应用程序（EXE）”，单击保存并命名为“平滑滤波器设计与应用”；

5）在新打开的窗口中，选择“类别”下的“信息”，将“目标文件名”改为“平滑滤波器设计与应用显示器”；

6）在新打开的窗口中，选择“类别”下的“源文件”，在“项目文件”下找到文件“平滑滤波器设计与应用.vi”；

7）单击右下角的生成，开始生成EXE文件；

8）如图16所示，以生成可执行文件，且运行正常[4]。

图16生成EXE文件后的结果

总结

通过此次课程设计，学到了很多东西。

从查资料，整理资料到读程序，写程序，改程序，仿真直至通过老师的验收，一切都充满了刻苦与艰辛，其间充满了挫折可是同时又伴随着欢乐。

令我感触最深的就是老师倾心的帮助，有时我对某些知识点并不是很清楚，可是老师总是不厌其烦的给我一遍又一遍的讲解，直到我弄清楚为止！

他的知识阅历另我打开眼界，他们的无私精神更另我感动不已！

另外，在重复修改与设计的过程中，我又重新把《虚拟仪器应用设计》这本书仔细的看了一下，弄懂了一些以前一知半解的东西，进一次加强和巩固了我的理论知识。

在此次课程设计过程中，我把虚拟仪器的理论知识用于实践中，使理论与实践相结合，使我的理论知识的到了巩固，在查资料翻阅资料的过程中也丰富了我的知识和阅历。

致谢

本课题在选题及进行过程中得到老师的悉心指导。

论文行文过程中，老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。

使我可以按时完成课程设计并使自己的专业知识与综合能力都得到了相应的提高。

在课程设计过程中，老师在百忙中对我的课程设计进行了指导。

老师首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，她又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。

感谢老师对我的论文不厌其烦的细心指点。

司老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。

再多华丽的言语也显苍白。

在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

参考文献

[1]刘晓等．LabVIEW2009程序设计[M]．北京：

电子工业出版社，2010.11.

[2]刘其和等．LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用[M]．北京：

化学工业出版社2011.04

[3]张桐.精通LabVIEW程序设计[M]．北京：

清华大学出版社，2008．12

[4]赵晓安.LabVIEW2009中文版虚拟仪器从入门到精通[M].北京：

机械工业出版社，2010.6．