摘 要：虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本文介紹了虛擬儀器的特點(diǎn)，應(yīng)用以及基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器的方法。 關(guān)鍵詞：FIR數(shù)字濾波器;LABVIEW;程序設(shè)計(jì) Abstract：Virtual instrument is a product of modern computer software technology and communication technology in combination with test and measurement technology. The characteristic and apply of virtual instrument are introduced. Base on the virtual instrument development platform of LabVIEW，the design of virtual instrument of filter is given in details. Key words：FIR filter; labview; programming 1 引言 　　傳統(tǒng)儀器是由廠(chǎng)家設(shè)計(jì)并定義好功能的封閉式機(jī)構(gòu)，每種儀器實(shí)現(xiàn)一種特定的功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的結(jié)合，在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和計(jì)算機(jī)的幫助下，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能的新式儀器——虛擬儀器出現(xiàn)了。虛擬儀器技術(shù)作為新型的構(gòu)造儀器技術(shù)，它可以部分實(shí)現(xiàn)甚至全部實(shí)現(xiàn)物理儀器功能。與傳統(tǒng)儀器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)測(cè)試量的處理和計(jì)算可更復(fù)雜且處理速度更快，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣，可以方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，價(jià)格低，技術(shù)更新快。它的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩?hù)自己定義儀器功能，滿(mǎn)足多種多樣的應(yīng)用需求。 　　數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)分析中的重要組成部分，它實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、提取、增強(qiáng)信號(hào)的有用分量、削弱無(wú)用的分量。經(jīng)典濾波器的特點(diǎn)是輸入信號(hào)中的有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶，通過(guò)一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波目的。但如果信號(hào)和干擾的頻率相重疊，那么經(jīng)典濾波器將無(wú)能為力，這時(shí)需要采用現(xiàn)代濾波器，如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等。從實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或從單位脈沖響應(yīng)分類(lèi)，數(shù)字濾波器可以分為無(wú)限脈沖相應(yīng)濾波器（Infinite impulse respose，IIR）和有限脈沖相應(yīng)濾波器（Finite impulse respose，F(xiàn)IR）。與IIR相比，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器能夠被設(shè)計(jì)成具有線(xiàn)性相位特性的濾波器。因此，它在要求具有線(xiàn)性相位的應(yīng)用場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法很多，其中較為常用的是窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率采樣設(shè)計(jì)法。本文介紹一種利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)的虛擬濾波器。 2 LabVIEW軟件主要功能和特點(diǎn) 　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是由美國(guó)國(guó)家儀器NI（National Instrument）公司推出的世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它的目標(biāo)就是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作，提高編程效率。是目前應(yīng)用范圍最廣，功能最為強(qiáng)大的虛擬儀器平臺(tái)。LabVIEW的高級(jí)軟件庫(kù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，包括信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、測(cè)量、數(shù)據(jù)濾波、概率統(tǒng)計(jì)、線(xiàn)性代數(shù)、曲線(xiàn)擬合、數(shù)值分析等多種軟件分析功能。LabVIEW使用可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、開(kāi)關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。由于虛擬儀器的測(cè)試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過(guò)修改虛擬儀器的軟件來(lái)改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了軟件就是儀器的設(shè)計(jì)思想。 　　LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制從宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（如C）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。從本質(zhì)上講，它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式（Data Flow Mode），這種方式確保了程序中的函數(shù)節(jié)點(diǎn)（ Function Node）只有在獲得它的全部數(shù)據(jù)后才能夠被執(zhí)行。也就是說(shuō)，在這種數(shù)據(jù)流程序的概念中，程序的執(zhí)行是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，它不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影。LabVIEW 支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何—個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的LabVIEW 應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。 3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟 　　因此，如果M選得較大，可以保證在窗口內(nèi)有效值逼近。實(shí)際計(jì)算（3）式，可以用的M點(diǎn)采樣值，進(jìn)行M點(diǎn)IDFT（IFFT）得到。 　　第二步：根據(jù)對(duì)過(guò)渡帶及阻帶衰減的要求，選擇窗函數(shù)的形式，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。設(shè)待求濾波器的過(guò)渡帶用表示，它近似等于窗函數(shù)主瓣寬度。因過(guò)渡帶近似與窗口長(zhǎng)度N 成反比，，A決定于窗口形式，例如，矩形窗A=4π，哈明窗A=8π等。按照過(guò)渡帶及阻帶衰減情況，選擇窗函數(shù)形式。原則是在保證阻帶衰減滿(mǎn)足要求的情況下，盡量選擇主瓣窄的窗函數(shù)。 　　第三步：計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)h（n）， 　　（5） 　?。?）式中是上面選擇好的窗函數(shù)。若要求線(xiàn)性相位，則要求與和均對(duì)（N-1）/2對(duì)稱(chēng)。 　　第四步：用（1）式驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求。若不滿(mǎn)足則根據(jù)具體情況重復(fù)二，三，四步，直到滿(mǎn)足要求。 4 軟件實(shí)現(xiàn) 　　4.1前面板的設(shè)計(jì) 　　圖1為設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的前面板。前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)濾波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶(hù)，是虛擬濾波器控制軟件的核心。在設(shè)計(jì)這部分時(shí)，主要考慮界面美觀、操作簡(jiǎn)潔，用戶(hù)能通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控鍵來(lái)控制虛擬濾波器的工作。實(shí)際中的待測(cè)信號(hào)可以由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集濾波，也可以由數(shù)據(jù)采集卡采集后保存為L(zhǎng)abVIEW所能夠識(shí)別的文件形式，之后再由LabVIEW進(jìn)行分析濾波。在這里用基本的信號(hào)（正弦波，余弦波，方波，鋸齒波）來(lái)模擬原始信號(hào)。程序采用窗函數(shù)法的計(jì)算流程，將窗函數(shù)與需要濾波的信號(hào)進(jìn)行卷積實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波。使用者可對(duì)原始信號(hào)，噪聲信號(hào)和濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。原始信號(hào)的波形圖，濾波的結(jié)果都可得到實(shí)時(shí)顯示。這樣，在程序成功的運(yùn)行后就可以從顯示區(qū)得到結(jié)果，使結(jié)果更為直觀的反映出來(lái)。 　　4.2 流程圖的設(shè)計(jì) 　　本數(shù)字濾波器的后面板即程序代碼框圖如圖2所示?？驁D程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線(xiàn)四種元素構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)類(lèi)似于文本語(yǔ)言程序的語(yǔ)句、函數(shù)或者子程序。框圖中的每一個(gè)對(duì)象端點(diǎn)與前面板上的對(duì)象（控制或顯示）一一對(duì)應(yīng)。不同的線(xiàn)型代表不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類(lèi)型還以不同的顏色予以強(qiáng)調(diào)。 [align=center] 圖1 數(shù)字濾波器的前面板 圖2 濾波器的后面板[/align] 5 結(jié)論 　　數(shù)字濾波器可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種不同系統(tǒng)，滿(mǎn)足不同的需要，又可以隨時(shí)改動(dòng)系數(shù)，調(diào)整濾波器參數(shù)，選擇最佳方案。使用LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)電氣參數(shù)測(cè)量?jī)x等虛擬儀器。實(shí)現(xiàn)了更高的效率，節(jié)省了更多的硬件開(kāi)銷(xiāo)，方便了系統(tǒng)的維護(hù)和減輕了儀器更新的負(fù)擔(dān)。使用虛擬儀器逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器已經(jīng)成為測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，仍要根據(jù)具體情況進(jìn)行程序的優(yōu)化和軟硬件的結(jié)合，使虛擬儀器發(fā)揮更高的性能。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用Labview設(shè)計(jì)了一虛擬數(shù)字濾波器，該虛擬數(shù)字濾波器能夠?qū)в懈蓴_信號(hào)的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號(hào)按照要求進(jìn)行濾波，具有人機(jī)交互性好、易于操作等特點(diǎn)，能夠廣泛的應(yīng)用于教學(xué)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 丁玉美，高西全.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003。 　　[2] Robert H.Bishop [美].LabVIEW7實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005。 　　[3] Instrumnts Catalogue. 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