基于LabVIEW的虚拟滤波器设计.docx

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基于LabVIEW的虚拟滤波器设计

毕业设计（论文）题目：

基于LabVIEW的虚拟滤波器设计

原始资料：

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

与C和BASIC 一样，LabVIEW]也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据

显示及数据存储，等等。

LabVIEW]也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。

LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。

传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）]则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。

VI指虚拟仪器，是LabVIEW 的程序模块。

LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。

用户界面在LabVIEW中被称为前面板。

使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。

这就是图形化源代码，又称G代码。

LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILABVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器（VirtualInstrument）在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。

虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。

美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。

“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。

从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。

I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。

NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。

粗略地说这种结合有两种方式，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。

[3]

虚拟仪器]实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。

虚拟仪器[2]的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。

PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。

对虚拟仪器和LabVIEW]长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2011，LabVIEW2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。

使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEWReal-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。

普通的PC有一些不可避免的弱点。

用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。

目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。

每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。

这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。

VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

毕业设计（论文）主要内容：

滤波器的概念及工作原理，结合以前学过的滤波器进行了相关的设计，掌握了虚拟仪器的开发流程，熟悉编译环境，做个简单的滤波器分析.

与传统仪器一样，虚拟仪器基本上由三大功能模块组成功：

数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。

虚拟仪器的功能模块如图1-2所示。

虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。

由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。

主要参考文献:

[1]杨乐平,李海涛编著.LabVIEW高级程序设计.清华大学出版社，2003

[2]邓焱,王磊编著.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用.机械工业出版社，2004

[3]张爱平编著.LabVIEW入门与虚拟仪器.电子工业出版社，2004

[4]RobertH.Bishop编著.LabVIEW6i实用教程.电子工业出版社，2004

[5]孙晓云,郭立炜编著.基于LabWINDOWS/CVI的虚拟仪器设计与应用.电子工业出版社，2005

[6]侯国屏，叶齐鑫主编.基于LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京：

清华的大学出版社，2004

[7]邹艳忠，朱涛等.基于LabVIEW的数字滤波器的设计与应用.微计算机信息，2008年第24卷第9-1期

[8]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

[9]InstrumentsCatalogue.U.S.NationalInstruments，2003

学生须提交的文件：

毕业设计论文一本

毕业设计论文电子档一份

进度安排：

2013年1月12日，初步确定毕业设计题目

2013年2月19日，参加毕业设计开题报告会，确定毕业设计题目

2013年2月21日——2013年3月19日（第1-4周），在学校图书馆查阅相关资料，初步完成开题报告书

2013年3月20日——2013年3月26日（第5周），修改并完成开题报告终稿，并入手毕业设计的大体框架，对LABVIEW等相关软件技术的学习

2013年3月27日——2013年4月23日（第6-9周）尝试在LabVIEW中进行虚拟滤波器的模拟，噪声的加入，并充实毕业设计的内容。

2013年4月24日——2013年5月21日（第10-14周），完成毕业设计，开始准备毕业论文的编写

2013年5月22日——2013年5月28日（第15周），修改并完成毕业论文终稿

专业班级测控技术与仪器学生

设计（论文）工作起止日期

指导教师签字日期

专业（系）主任签字日期

基于LabVIEW的虚拟滤波器设计

摘要

随着电子技术和计算机技术的快速发展以及其价格的不断下降，加上传统的电子技术设计观念的日趋成熟和发展，原来需硬件完成的功能，现在已经可以由软件实现。

例如：

仪器面板、数字滤波等，都已经实现了硬件软件化。

而且不少过去即使是硬件都难以实现的功能，例如复杂的信号分析、数据统计和三维图像显示等，现在也在计算机中则较容易实现。

在市场的需求和相关技术支持下，使基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器的研究和应用得到了突破发展。

虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，成为了一种很好的工具，应用范围也越来越广泛。

与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势，将会是未来仪器发展的方向和趋势，值得我们研究和开发。

针对虚拟仪器的特点，本文设计了这套虚拟数字滤波器，它的的系统工作原理是，对模拟信号进行数据采集后，根据使用者的不同要求由软件对数据进行相应的分析、处理，并在屏幕上显示处理结果。

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。

关键词：

滤波器,虚拟仪器,数据采集,LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）

ABSTRACT

Alongwiththeelectronictechnologyandtherapiddevelopmentofcomputertechnologyandthepricedropsceaselessly,traditionalelectronictechnologydesignidea,sothattheoriginalhardwarecompletefunction,cannowberealizedbysoftware.Forexample,instrumentpanelanddigitalfiltering,implementationofhardwareandsoftware.Whilemanyhardwaretorealizethefunctions,suchasthecomplexsignalanalysis,datastatisticsandthree-dimensionalimagedisplay,onacomputerisrealizedeasily.Inthemarketdemandandtechnicalsupport,promptingaPCbasedmeasurementandcontrolinstruments--virtualinstrumentdevelopment.Virtualinstrumentcomputerusepowerfulprocessingability,makeitbecomeagoodtool,itisusedmoreandmorewidely.Comparedwiththetraditionalinstrument,virtualinstrumentinintelligence,processingcapabilityandmaneuverabilityandsoonhastheobvioustechnicalsuperiority.

Inthispaper,thedesignofthevirtualdigitalfiltersystemworkingprincipleiscarriedoutontheanalogsignal,dataacquisition,accordingtothedifferentrequirementsofusersbysoftwarefordatacorrespondingtotheanalysis,processing,andthescreendisplaystheprocessingresult.

ThedesignofthesoftwareisintroducedbyAmericanNICorporationLABVIEW.LABVIEWisagraphicalprogramminglanguagebaseddevelopmentenvironment,haveverypowerfuldatabase.Itisavirtualinstrumentdesignerprovidesaconvenient,easydesignenvironment.Iscurrentlythemostwidelyusedsoftwareofvirtualinstrumentdevelopmentplatform

KEYWORDS:

Wavefilter,Virtualinstrument,Dataacquisition,LabVIEW

第一章绪论

1.1引言

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要

测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。

现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，犹如滚滚长江东流水，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。

人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。

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。

无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器（VirtualInstrument）在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。

与传统的仪器不同，虚拟仪器（VirtualInstrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。

虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种。

一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有LabWindows/CVI、VisualBasic、VC++等。

另一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有LabVIEW和HpVee。

其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。

1.2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。

粗略的说，这种结合有两种方式。

一种方式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，这类仪器的功能也越来越强大。

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。

一种典型的虚拟仪器结构如图1-1所示

图1-1典型的虚拟仪器结构

与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：

（1）智能化程度高，处理能力强。

虚拟仪器的处理能力和智能化程序主要取决去仪器软件水平。

用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

（2）复用性强，系统费用低。

应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。

这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。

通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

（3）可操作性强。

虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。

使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。

测量完后还可以打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。

1.3虚拟仪器的分类

虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：

（1）、PCI总线——插卡型虚拟仪器

这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件,如LabVIEW相结合（注：

美国NI公司的LabVIEW是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。

LabVIEW/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VisualC++,VisualBasic,LabVIEWs/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。

但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。

另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。

（2）、并行口式虚拟仪器

最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。

仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。

美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。

由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。

（3）、GPIB总线方式的虚拟仪器

GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。

它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。

在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。

GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。

GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

（4）、VXI总线方式虚拟仪器

VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。

由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。

经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。

有其他仪器无法比拟的优势。

然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

（5）、PXI总线方式虚拟仪器

PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。

PXI的高度可扩展性。

PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。

1.4虚拟仪器的工作原理

与传统仪器一样，虚拟仪器基本上由三大功能模块组成功：

数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。

虚拟仪器的功能模块如图1-2所示。

虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。

由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。

图1-2虚拟仪器的功能模块

1.5虚拟仪器的设计与实现步骤

1.5.1前面板的设计

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，使结果更为直观的反映出来。

1.5.2流程图的设计

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