基于labVIEW虚拟滤波器的设计与实现5374.pdf

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1、I 摘要 随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化、智能化、数字化和网络化的方向发展。其中数字滤波器作为测试技术的重要工具而被广泛使用于各个领域。本课题是以数字虑波表软件设计为工程背景，主要对采集的波形数据进行相关处理，实现了相应的参数测量。虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统仪器技术不同，虚拟 仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需要可以高效率地构建起形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便的应用于测量中，并且为自动测量和网络化测量创造条件。首先，本论文介绍了虚拟仪器以及

2、LabVIEW 相关知识，利用虚拟仪器的开发平台LabVIEW 开发的软件系统，主要包括五个模块：数据采集、显示记录、数据回放、数据处理和数据分析。数据处理模块主要实现数字滤波和加窗处理两大功能，可以选择不同的滤波器和窗函数以适应不同的情况。参数的不同设置能够使信号频率不断变化。它是一种测试仪器和系统的概念及相关软件。另外结合测试技术和仪器的专业知识介绍在 LabVIEW 实现虚仪滤波器虑测试信号。也是高等院校中机械、自动化或信息技术相关专业学生必学的课程。关键词：虚拟仪器、LabVIEW、滤波器 II Abstract Summary With the electronic tests an

3、d technological development,testing positive automation technology,intelligence,digital and network direction.Which digital filter technology as an important test tool has been widely used in various fields.The topic is based on figures consider wave form design software for engineering background,t

4、he acquisition of the main waveform data correlation,realize the corresponding parameter measurement.Virtual Instrument technology is computer-based instruments and measuring techniques.With the traditional instruments and technology,virtual instrument technology refers to the data acquisition equip

5、ment includes the general computer platform,According to the need to be highly efficient building up all kinds of measurement system.For most users,the main work into the software design.Virtual instrument technology breakthrough of the traditional limitations of the equipment could be many signal p

6、rocessing methods used in a convenient measurement,and for automatic measurement and network measurement to create conditions.First,the thesis of LabVIEW virtual instruments and associated knowledge,using virtual instrument development platform-LabVIEW development of the software system,including th

7、e five main modules:data acquisition,records show,data playback,data processing and data analysis.Data processing module main digital filtering and windowing handle two major functions,can choose different filters and window function to adapt to different situations.The different parameters can be s

8、et up so that the signal frequency constantly changing.It is a test instruments and systems concepts and related software.Another combination of testing technology and equipment expertise introduced in LabVIEW virtual instrument filter consider test signals.As well as tertiary institutions machinery

9、,automation and information technology-related professional students will learn courses.Key words:virtual instrument,LabVIEW,filter III 目录 第一章 引言.1 第一节 虚拟仪器简介.2 第二节 虚拟仪器的概念.4 第三节 系统简介.7 第四节 虚拟仪器的发展.9 第五节 虚拟仪器的工作原理.9 第六节 LABVIEW 特点.10 第七节 虚拟仪器的组成.11 第八节 虚拟仪器的设计与实现步骤.16 第九节 LabVIEW 简介.17 第十节 本论文设计任务.1

10、9 第二章 滤波器.20 第一节 滤波器的简单介绍.20 第二节 数字滤波器概念.20 第三节 数字滤波器的分类.20 第四节 数字滤波器的一般分析、设计方法.22 第五节 数字滤波器的主要性能指标.23 第三章 设计实现.26 第一节 滤波器及 labVIEW 实现.26 第二节 调用数字滤波器子程序的几个问题.26 第三节 在 labVIEW 中设计滤波器.28 第四章 总结与展望.34 结束语.35 致谢.36 参考文献.37 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 1 第一章 引言 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

11、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。与传统的仪器不同，虚拟仪器（virtual instrument）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。从构成方式上讲，虚拟仪器可分为四大类：gpib 体系结构、pc-daq 体系结构、vxi 体系结构和 pxi 体系结构。gpib 体系结构是通过 gpib

12、 总线将具有 gpib 接口的计算机和仪器集成的测试系统。其优点是用户可以充分利用自己的计算机和仪器资源，且组建方便灵活、操作简单，曾是国际流行的自动测试系统。当今，在 vxi 为主的体系结构中，有时也采用 gpib 作为辅助，这样可以充分利用本单位仪器资源，或称补 vxi 仪器模块的不足。vxi 体系结构综合了。pib 和 vem 总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。pxi 体系结构是以 pci 总线为基础的体系结构，由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种=一种是基

13、于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有lab windows/cvi、.visual basidc=vc+等：一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有 lab view 和 hp vee。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。下面结合指挥调度设备测试系统 它是通信设备综合测试系统的分系统，重点介绍 labview 图形化软件开发环境在虚拟仪器和自动测试系统中的应用技术。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 2 第一节 虚拟仪器简介 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和

14、现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器虚拟仪器成为当前系统研究的热点。第一节 虚拟仪器简介 虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器虚拟仪器。虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器是计算

15、机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件极图形用户界面的又效结合，具有传统仪器所具备的信号采集、信号处理分析、信号输出等功能。其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。虚拟仪器有以下优点：1.利用了计算机丰富的软件资源。实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性。通过软件技术和相应数值算法，实时直接地对测试数据进行各种分析与处理。图形用户界面（GUI）技术的应用，真正的做到界面友好、人机交互。2.基于计算机网络技术和接口技术。虚拟仪器具有方便、灵活的互联能力（Connectivity）,广泛支持诸如CAN、Field Bus、PROFIBUS等各种

16、工业总线标准。因此，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化。3.基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，用户可根据自己上的需要，选用不同厂家的标准接口产品，使仪器的开发更为高效，缩短仪器组建、开发时间。4.具有很强的灵活性。虚拟仪器的功能由用户自己定义，这意味着可自由的组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。这种灵活性在由 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 3 供应商定义、功能固定、独立的传统仪器是达不到的。从传统仪器的转变，为用户带来了更多的实际利益。上述虚拟仪器的特点不仅推进了仪

17、器为基础的界面系统改造，同时也影响了以虚拟仪器为主的图形构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域，虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。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方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 4 第二节 虚拟仪器的概念 传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它是一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。操

18、作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和受同操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参

19、加较多的情况下，使用起来就不太方便。这三方面的原因，使传统仪器很难事业信息时代对仪器的需求。那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的用户需求。表 2.1 为传统仪器与

20、虚拟仪器的比较一览表。虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点：1)强调“软件即仪器”的概念，软件充当了仪器中相当重要的且以往由硬 件充当的角色。2)打破了传统仪器小而全的现状，可以将信号的分析、显示、存储、打-9-印和其它管理利用计算机来完成。3)便于工作和管理，虚拟仪器技术是仪器的设计和管理统一到虚拟仪器 的标准，使得仪器管理规范，使用简便，维护费用低。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 5 4)仪器自定义，科研和工程人员自己设计自己的仪器。由于虚拟仪器的 开放性，用户可以方便地修改测试方案，构成各种专用仪器。仪器的开发 周期短，升级容易，节省了硬件开发和生产的费用。5)便于组成自

21、动测试系统。虚拟仪器充分利用计算机技术，可以对测试 方案进行编程；而且数据的远程传输、数据在软件之间的交换等，都使系 统组建变得灵活；计算机的存储、打印和网络化等功能也进一步增进了虚 拟仪器的功能。表 2.1 传统仪器和虚拟仪器的比较 传统仪器 虚拟仪器 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器的功能、规模均已固定 系统功能和规模可通过软件修改和增减 封闭的系统，与其它设备连接受限制 基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相应设备连接 价格昂贵 价格低，可重复利用 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高 软件结构可大大节省开发和维护费用 多为实验室拥有 个人可拥有一

22、个实验室 如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集成在一台计算机中了。而软件就成为了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来 历。影 响 最 大 的 虚 拟 仪 器 编 程 语 言 是 美 国 NI 公 司 的 LabVIEW 和 Lab Windows/CVI。Lab VIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见即所得”的可 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 6 视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块迷失用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时，Lab VIEW

23、继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化实际，这种结构的实际增强了程序的可读性。Lab Windows/CVI是美国NI公司所提供的另一套优秀的开发平台。它以C语言为核心，将计算机软件实际平台与时间的采集、分析、处理及结果表达等仪器专业工具有机地结合起来，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、测量系统、数据采集系统及过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。目前，虚拟仪器技术在国外发展很快，以美国NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器而设计的商品化一齐产品。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 7 第三节 系统简介 1 系统概述 指挥调度设备测试系统主

24、要用来测试信道的非线性失真度、信道幅频特性、信道传输系数、信道杂音、信道隔离度以及信号调制度等主要参数和技术指标。系统硬件由带 pcmcia-gpib 接口卡的笔记本电脑、激励源、时域测试仪器、频域测仪器等通过 gpib 总线集成.pcmcia-pib 接口卡是美国 ni 公司推出的唯一适合于笔记本电脑的gpib 接口卡，其数据传输速度可达 2.3mbytes/s。其接口驱动程序 ni-488.2）ieee488.1和 ieee488.2 相兼容并支持 lawindows/cvi 和 labview 等应用开发环境。鉴于本系统采用了笔记本电脑作为系统控制器，简化了系统硬件，增加了灵活性和便携性

25、，便于现场测试。系统软件是在 labview 图形化语言环境下开发的，程序采用模块化结构，只要在主程序中调用各个子程序模块就可以进行相应的测试。受篇幅所限，下面仅对谐波失真测试子程序和测试报告打印子程序作一说明，其他测试子程序不再一一介绍。2 谐波失真度测试子程序设计 （l）谐波失真的测试原理及数学模型 众所周知，当信号通过一个非线性网络后，其输出信号中会产生新的频率分量，由此造成的失真称为非线性失真。根据傅里叶级数，一个失真的正弦波可以分解为一系列幅度不同、相位有别的基波和各次谐波。因此非线性失真度定义为全部谐波能量与基波能量之比的量之比的平方根值。当负载为纯电阻时，可用全部谐波电压的有效值

26、与基波电压的有效值之比的百分数来定义非线性失真度，即 根据以上原理，我们可以用频谱分析仪测量出信号的基波和各次谐波的电压有效值，再按式（l）计算出失真度即可。（2）谐波失真测试程序设计 谐波失真测试程序的前面板和使用 gpib 函数与 gpib 仪器通信的的部分不再文字赘述。3 labvi ew 编程环境中 activex 技术及在测试报表中的应用 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 8 如上所述，labview 是一种用于科学计算、过程控制、自动测试领域的图形化语言，具强大的功能，但生成测试报表的能力却不尽人意。为此我们可以利用 adivex控制技术，将 labview 中的测试数据导入

27、 microsoft excel 表格，即可生成一套精美实用的测试报告。labview 可以作为 activex 自动控制服务端（server 和客户端（client）。当 labview 作为 activex 自动控制客户端时，它可以控制其他的 activex 服务端的应用程序（如 microsoft exce1），这时 labview 能够从这些应用程序中得到它们的属性和执行方法并对它们进行设置。在 labview 中创建一个客户端应用程序，可以分为以下几个步骤：（1）使用 automation open函数打开一个自动控制标识符（如 excel 程序对象。（2）用 property no

28、de 设置或得到对象的属性。（3）用 invoke node 执行属于这个对象的方法。（4）如果需要，还应使用数据转换函数（t0g data把 activex 格式的数据转换成 labview 支持的格式的数据。（5）用 automation close 函数关闭自动控制标识符。测试报告打印程序，其功能是创建一个 excel 应用程序并设置其 visible 属性为真使excel表格可见。当打开了excel后，下面的工作就是打开一个新的excel workbook、打开一张新的 excel worksheet、向 excel worksheet 中添加数据、关闭 excel worksheet

29、并退出 excel。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 9 第四节 虚拟仪器的发展 电子仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器 第一代模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。第二代数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压表等。这类仪器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，实用于快速响应和较高准确度的测量。第三代智能要求 智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件的形式存在，无论

30、是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器 虚拟仪器是现代计算机教技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来虚拟产业发展的一个重要方向。从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品的陆续飞速增加。第五节 虚拟仪器的工作原理 虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、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 2.3 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”、

31、“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。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 10 图 2.3 虚拟仪器的功能模块 第六节 LABVIEW 特点 1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。4.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

32、领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW。5.虚拟仪器的起源可以追朔到 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。6.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 V

33、XI 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。7.虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是 IEEE 488 或 GPIB 协议。未来的仪器也应当是网络化的。8.LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的PCDAQ采集器 串口仪器

34、 GPIB 仪器 VXI 仪器 PXI 仪器 数字滤波 统计 分析 信号处理 磁盘复制 文件 I/O 图形用户接口 网络传输 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 11 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、RS-232 和 RS-485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/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这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生动有趣。9.图形化的程序语言，又称为“”语言。使用

35、这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。10.利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。第七节 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的结构如图2.5.1所示。下面从硬件和软

36、件两个方面介绍虚拟仪器的构成。一虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和接口硬件。(一)计算机硬件平台 虚拟仪器的计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 12 图 2.5.1 虚拟仪器的示意图 1)接口硬件 接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或输出信号，供其它系统使用，在此基础上组成以虚拟仪器为核心的虚拟仪器系统。GPIB(Gene

37、ral Purpose Interace Bus)接口总线 GPIB是计算机和仪器间的标准通信协议，GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE488.1和IEEE488.2中。GPIB是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE488标准的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口控制器卡和若干台GPIB仪器。采用GPIB接口总线的虚拟仪器的组成框图如图2.5.2所示 图 2.5.2 采用 GPIB 接口总线的虚拟仪器 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，只需对计算机控制软件做相应改动。这种概念已被应用于

38、仪器的内部设被测信号 GPIB 仪器 GPIB 控制器 计算机 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 13 计。在价格上GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。2)VXI接口总线 VXI系统VME总线在仪器领域的扩展，1987年在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE488标准的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开放性仪器总线标准。VXI系统最多可包含256个准备装置，主要由主机箱、“零槽”控制器、具有多中功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即

39、用组成新系统。目前，国际上有两个VXI总线组织；VXI联盟 该连忙负责制定VXI的硬件标准规范，包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通讯规程等内容。VXI总线 即插即用系统联盟。该联盟的宗旨是，通过制定一系列VXI的软件标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现 VXI总线产品的“即插即用”。上述两个联盟制定的标准组成了VXI标准体系，从而实现了VXI的模块化、系列化、通用化、以及VXI仪器的互换性和互操作性。VXI的价格相对过高，适合与尖端的测试领域。3)PXI接口总线 PXI是PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年

40、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Microsoft Windows软件。PXI是PIC内核技术上成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线及用于相邻模块间高述通信的局部总线等，以满足试和测量用户的要求。PXI兼容CompactPCI机械规范，并增加了主动冷却、环境测试等要求。这样一来，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。4)DAQ数据采集接口 DAQ指的是基于计算机标准总线的内置功能插卡，它更加充分的利用计算机资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ，可方便快速地组建虚拟仪

41、器，实现“一机多型”和“一机多用”。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 14 在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠虑波技术与信号调理技术的迅速发展，DAQ的采样速率以达到1Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O、模拟I/O、计数器/定时器等通道。仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块可供用户选择，如示波器、数字万能表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在PC机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的虚拟仪器，如图2.5.3所示。图 2.5.3 台式 DAQ 虚拟仪器 DAQ虚拟仪器既具有高档仪器的测量品质，

42、又能满足测量需要的多样性。对大多数用户来说，这种方案不但实用，而且具有很高的性能价格比，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。二虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器最核心的思想，就是利用计算机的软件和硬件资源，使本来需要硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，从低层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。虚拟仪器的软件结构如图2.5.4所示。传感器 数据采集卡（DAQ）计算机 软件 信号调理模块 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 15 图 2.5.4 虚拟仪器的软件结构 VI

43、SA库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，一般这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制。执行对仪器驱动程序开发者来说，VISA库是一个可调用的操作函数库或集合。1)仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其源码的形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动程序。2)应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自

44、动测试任务。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和细化分析等；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷积运算等；这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。应用软件 仪器驱动程序 Serial VISA库 GPIB等 VXI 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 16 第八节 虚拟仪器的设计与实现步骤 虚拟仪器的设计方法与实现步骤和一般软件的设计方法和实现步骤基本相同，只不过虚拟仪器在设计是要考虑硬件部分。1.确定所设计仪器的接口形式 如果仪器设备具有RS-232串行接口，则不用进行

45、处理，直接用连线将仪器设备与计算机的RS-232串行接口连接即可。如果是GPIB接口，需要额外配用一块GPIB-488接口板，将接口板插入计算机的ISA插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通信渠道。如果使用计算机来控制VXI总线设备，则也需要配备一块GPIB接口卡，通过GPIB总线与VXI主机箱零槽模块通信。零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB的命令翻译成VXI命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。2.确定所选择的接口是否具有设备驱动程序 接口卡的设备驱动程序是控制各种硬件接口的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带。如果有设备驱动程序，则判断适合与何种操作系统；提高没有

46、，或者所带的设备驱动程序不符合用户的操作系统，用户就有必要针对所用接口卡，编写设备驱动程序。3.确定仪器应用程序的编程语言 可使用本书所要讨论的可视化虚拟仪器语言LabWindows/CVI 或图形化编程语言LabVIEW进行编程。如果没有此类软件，可以采用通用编程语言，如VB、VC等。4.编写用户的应用程序 根据仪器的功能，确定软件所采用的算法、处理分析方法和显示方法。调试运行应用程序用数据或仿真的方法，验证仪器功能的正确性，调试并运行仪器。从上面五个步骤可以看出，在计算机和仪器等硬件资源确定的情况下，对应不同的应用程序，就有不同的虚拟仪器。由此可见软件在虚拟仪器中的重要作用。基于 LabV

47、IEW 的虚拟滤波器设计 17 第九节 LabVIEW简介 LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还布置了支持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。以Lab

48、VIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件。LabVIEW是真正的32位编译器。像其他软件一样，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多种版本。目前，LabVIEW的最新版本是LabVIEW7.1。在 安 装 LabVIEW 软 件 后，从 开 始

49、 菜 单 中 运 行“National Instruments LabVIEW7.1”，在计算机屏幕上将出现如图2-3所示的对话框。单击ok按钮之后进入如图2-4所示的New对话框，在这个对话框中可以直接访问某些LabVIEW资源和工具，而不需要打开程序窗口。在LabVIEW对话框中单击New.按钮，将弹出如图2-5所示的New对话框。在New对话框左边的Greate new：中，树形控件用于选择新建文档类型。其中，Blank VI用于建立一个新程序；VI from Template按类型列出LabVIEW系统提供的程序模板，用户可以以这些模板为基础，建立自己的程序；Other Documen

50、t Typlate列出其他文档类型，比如全局变量、自定义控件、运行时菜单等。当选中某一个模板VI时，Front panel preview和Black diagram preview子窗口给出其前面板和框图预览。Description子窗口给出所选文档类型的简单描述。选种适当的文档类型后，单击OK按钮，将打开对应的新文档窗口。基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 18 图 2.3 LabVIEW 的对话框 图 2-4 LabVIEW 对话框 基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计 19 图 2-5 LabVIEW 对话框 第十节 本论文设计任务 了解虚拟仪器以及 LabVIEW相关知识，它是