基于LabWindows／CVI的虚拟仪器设计.pdf
基于LabWindows／CVI的虚拟仪器设计.pdf目录541功能描述……口中…14754.2设计原理…147543设计步骤………………4855设计举例4基数字滤波技术的虚找频率补偿仪…55I功能描述…………154552设计原理…………………………4154553设计步骤159第6章基于相关伪随机技术的虚拟仪器设计……………17161相关辨识的基础知识6l1系统数学模型的主要描述形式…吧看罪甲噜看音·自老·着着。甲曾會自·看着174612系统输入输出关系的卷积表述形式175613由系统的冲激响应函数求系统的频率特性…177614相关辨识法的优点………………1762伪随机信号—相关辨识实际采用的激励信号9621伪随机信号的性质……………180622M序列伪随机信号的产生62.3 Labwindows/cⅥ环境中M信号的产生…………184▲63设计举例口和2—伪随机相关辨识仿真仪灬194631例[一一阶系统辨识仿真仪………………194632例[2}_二阶系统辨识仿真仪……208▲64设计举例3}-系统参数辨识实测仪-25641功能描述…………………216642设计原理……………………216643设计步骤bb●自看是题bDpD命各备命罪即非国百D看山會看看看q看甲q:音ts223644系统参数辨识仪的性能检验…236645小结239第7章基于神经网络的虚拟仪器设计………吾号.·D罪D·咖自音噜唱日司看自命是··昏b●甲」24171概述……………………247.2神经网络基础知识…4721神经网络结构………244722神经元模型……246723神经元作用函数…247724BP神经网络250基于凵 abwindows/C的虚拟仪设计72.5径向基(RBF)神经网络……25573 MATLAB工具箱中的BP与RBF函数5731BP与RBF网络创建函数……257732网络训练函数………259733网络初始化函数2637.34网络学习函数pseD即■日■■曾264735网络仿真函数酯“着申自曲量ab血a▲bdd暴Db自合·看单■即非兽pD鲁26674设计举例[虚拟压力传感器温度补偿器…26266741功能描述…………742工作原理……267743设计步骤…命a4.品中B自●非昏·:·:是PP…271L75设计举例2一虚拟三组分气体成分分析仪的设计2837.51功能描述…单当香s·.甲命命甲二··········a283752工作原理……………283753设计步骤………87754设计小结…297第8章基于小波分析的虚拟仪器设计……2998.1小波分析基础…已得…,…下不已是811小波分析与短时傅里叶变换………301812离散小波与小波对偶品百·。命自日自目即合D即章矿●印·…306813小波级数多事品◆晶号提品4··B旨自D导看308814多分辨分析初步……309815正交小波…316816小波包分析………:32382 MATLAB王具箱中小波分析函数…325821小波包函数……p品a由自日自值合◆··年卓看自53483设计举例一虚拟小波消噪仪…340831小波消噪原理..340832虚拟小波消噪仪设计a品血吾春自白看令节自B导342L84设计举例2—虚拟特征信号提取仪8.41特征信号小波提取原理灬………………350842仪器功能中▲如婚+44“亠b白自自4·1··.……350843仪器设计………………350目录844运行测试…356第9章基于混沌技术的虚拟仪器设计·是Da命品西·盲血·鲁自D鲁唱唱非看4看a■自…357▲9.1概述………………35992混沌技术基础知识0921基于 Duffing方程实现频率测量检测原理…………360922基于 Logist迭代方程产生白噪声的原理…………36993设计举例一基于 Logist方程的虚拟白噪声发生器…375931设计举例1基于 Logist方程的虚拟白噪声仿真仪…375932设计举例[2]_基于 Logist方程的拟简易白噪声发生器…380933设计举例3}基于 Logist方程的虚拟白噪声发生器及其性能评估仪■D即口即即要号■………384h94设计举例基于混沌技术的频率仿真测试仪一941功能描述…………………389942工作原理……390943混沌精密频率仿真测试仪的实现396944性能校验……3999.5设计举例2]基于混沌技术的精密频率实测仪”399第10章基于模糊理论的虚拟仪器设计……●鲁看●4命1a!模糊集合理论概述”010L1模糊集合的定义及其表示方法…P·●吾音p聊·品日.···P.身10.12隶属函数的确定方法及常用形式10.1.3模糊集合的基本运算……41010.14模糊关系的定义及合成……●pb自●哥司q■P省…4ll10.1.5语言变量与模糊推理…………………413102模糊传感器系统“……………1021测量结果“符号化表示”的概念…4151022模糊传感器的基本概念和功能………中中416102.3模糊传感器的结构………备合自看司q·是即即罪罪看血咖音看叠看4q●命4171024模糊传感器语言描述的产生方法……………4200.25模糊传感器对测量环境的适应性………………4241026模糊传感器隶属函数的训练算法…………426103设计举例1虚拟模糊热点温度分析仪301031功能描述…………430蒹于 Labwindow/QⅥ的盧拟仪暴设计1032工作原理着看■舞非罪阜444■p●鲁看要1033设计步骤432110.4设计举例2]高级虚拟模糊热点温度分析仪…………43810.1功能描述…4381042实现原理………………………………4381043设计步骤……43第11章网络化虚拟智能传感器系统……………………4611112网络体系结构与协议……………“4631111网络体系结构……4631112 Lab windows/CⅥ中的主要协议…………4671113 DataSocket技术……472112组建网络化虚拟智能传感器系统的模式…475112,1CS模式…………………………476122B/S模式476网络化虚拟正弦波发生器1131设计原理………1画画D备即命●●看卓自白自↓td.自占即命自咖自·t477113,2仪器功能描述478113.3仪器设计……………4781134编译运行……D。春明中血自■■…487114设计举例2)基于C模式的远程开关控制器的设计………48114.1系统的工作原理4881142仪器功能描述…4881143仪器设计…咖·d日·自·暴■■非罪自咖4●看省·b导···号q48944编译运493参考文献…………95VIll绪论成拟伙器还应数伙器饱发展及持点原书空白第1章蜻忪由于电子技术、计算机技术的高速发属及其在电子测量技术与仪器领域的应用,新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结均不断出现,电了测量仪器的功能和作用发了质的变化,计算机处于核心地位,计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了个有机整休,仪器的结构概含和设计观点等都发生了突破性的变化。在上述的背景下,出现、仝新概念的仪器—虚拟仪器。本章在介絰有关虚拟仪器的基本概念、组成、发展过程及发展趋势的基础上,重点阐述“软件就是仪器,仪器就足软件”的观点。在本章中,将学到如下内容≥虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的组成特点虚拟仗器的设计与实现方法少虚拟仪器的发展过程及发展趋势1.痃担仪欲枇遗虚拟仪器( Virual instrurenent,简称ⅥI)是现代计算机技术和仪器技深层次结合的产物,是当今计算机辅助澳试(CAT)领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。1.11虚戏仪器的基本概念所谓虚拟仪器,就是在以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,其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板,以多种形式输出检测结果;利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理;利用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和计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板,就如同使用一台专用测量仪器虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。1.虛拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种器付所元成的功能是相同約,并扫各种开关、按钮、显示器等实现仪器电源的“通”或“断暴于 Labwindow/Ⅵ的姒仪器谩计被测信号“输入通道"、“放大倍数”等参数设置,测量结果的“数值显示或“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”,而且是由“手动”和“触摸”进行探作的,而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”个控科的j”“断”、“放大”等动作是通过用户对计算机鼠标或键益的操作米完成!。因此,设计虚拟面板的过程就是在板设计窗口中摆放所需的控件,然后对控件进行合逗的属性投置。2.虍拟仪器则量功能是由软件编程来实现的在以计算机为核心组成的硬件平台支持,通过软件编程设计来实现仪器的功能,可以通过组合不同的测试功能软性模块来实现多种测试功能,因此,在硬件平台确定后,有“软件就是仪器”的说法,这也体现了测试技术与训算机的深层次结合。1.12虚拟仪器的构成及其分类虚拟仪器通用仪器硬件平台(简称硬什平台)和应用软件两大部分构成。1.虚拟仪器的硬件平台构成拟仪器的硬件平台包括两部分。(1)计算机它-般为-台PC或者工作站,是硬件平台的核心(2)JO接口设备IAO接口设备要完成被测输入信号的采集、放大、愧数转换。不同的总线有其坩应的IO接口硬件设备,如利用PC总线的数据采集卡版(DAQ)GPB总线仪器、VXI总线仪器模块.串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种类型,如图1.1所示。≯ PC-DAQ系统PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系练用PCI或IA计算机本身的总线将数釆卡板(DAQ〕插入计算机的PCI或ISA插槽中。4
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基于fpga的自适应滤波器
关于自适应滤波器的fpga实现，对于想学数字滤波器的和fpga的同学来说非常好基于FPGA的自适应滤波器设计摘要数字滤波器较模拟滤波器相比,具有信噪比髙,过渡带性能好,髙可靠性及可扩展性,设计灵活方便的优势,应用范围越米越广。随着专用数字信号处理芯片的发展,数字滤波器的可实现性能以及处理速度得到了极大的提升,FPGA(现场可编程门阵列)作为一种新型数字信号处理芯片,具有数字信号处理速度快、数据并行处理并且利用硬件编程语言直接进行硬件设计等特点,自适应滤波器的FPGA设计以及优化方法,是目前的一个研究热点。本文对自适应滤波器进行 Matlab仿真,以对其结构特性以及运算特点进行了解,利用 Matlab生成测试信号与FPGA仿真软件 Modelsim进行联合设计以及行为仿貞,采用 Altera公司的 Cyclone IV系列芯片EP4CE15F17C8为载体的开发板进行设计仿真,在设计过程中,充分利用FPGA可以并行处理以及快速的数字信号处理的特点进行针对性的结构设计。在此基础上做了以下工作。在充分了解滤波器,自适应横向滤波器,自适应陷波滤波器以及FFT变换原理的基础上,选择并搭建∫设计平台,在目前自适应横向滤波器的FPGA设计的研究基础上,采用模块化的设计方法,单独设计可重复调用的串行FR滤波模块以及串行LMS杖值更新模块,对两种模块的设计以及综合分别进行了设计以及仿真实验,通过并行调川两种不同模块,每种调用四个的方式设计一个16阶的滤波器为例来阐述模块化设计方法,并设计32阶64阶分别与仝串行以及仝并行设计方式的处理速率以及逻辑资源调用进行比较,结果说明运算速率与并行调用模块数量成正比,远快于全串行结构的设计方式,并且对于64阶仝并行系统来说,极大的减少了硬件资源的消万方数据耗,提髙了设计灵活性。在此设计的基础上,针对传统自适应陷波滤波器的滤波频夲固定不变的缺陷,提出了一种频域变换法检测噪声特征频夲,并可以根据特征噪声频率实时改变陷波频率的滤波器设计方法,为了减小设计复杂性,研究了符号LMS自适应陷波器算法,通过 Matlab仿真实验选取符号的特征变量。并对噪声信号提取算法进行了介绍和设计仿真,最终设计出根据噪声频率自动调节陷波中心频率的自适应陷波滤波器,并对滤波器性能进行了 Modelsim仿真研究,自适应陷波器具有能有效的滤除对应频的单频噪声信号,并且根据噪声的频率特性自动调节滤波频率的特点。针对两种自适应滤波器的FPGA设计,体现了FPGA在自适应滤波器设计时灵活性以及针对性,两种不同类型的自适应滤波器,可以分别适用于普通数字滤波器无法有效发挥作用的场合,同时本文的设计方法对其它类型数字信号处理系统的FPGA实现具有一定参考价值关键词:现场可编程门阵列,自适应横向滤波器,模坎化设计,自适应陷波器万方数据DESIGN OF ADAPTIVE FILTER BASED ON FPGAABSTRaCTCompared with analog filter, digital filter has the advantages of high signalto noise ratio, good performance of transition zone, high reliability andexpansibility, flexible and convenient design and application With developmentof special digital signal processing chip, digital filter Can achieve performanceand processing speed has been greatly improved, the realization of the use of thebetter performance of digital chip design more complex filter, so that the adaptivefilter realization and application become possible, FPGA (field programmablegate array) is a new type of digital signal processing chip, with parallel processingof data and Can use hardware programming language directly the characteristicsof the hardware design, is currently a hot research topic for study of adaptive filteris implemented on FPgaThe matlab simulation of the adaptive filter to understand the characteristicsof the structure and opcration characteristics, and the use of Matlab generatingtest signals and FPGA simulation software Modelsim joint behavior simulation ofFPGa design, then to Altera cyclone Iv series chip ep4cel5f17c8 as the carrierof the development board for simulation design. in the design process, make fulluse of FPGa parallel processing and fast digital signal processing for structuraldesign On this basis, the following work has been doneThe filter needed to fully understand, adaptive transversal filter, adaptivenotch filter and Fft transform based on the principle of selection and build adesign platform, first in the basic research of current FPGA adaptive transversalfilter realization, using modular design method, the structure is divided into singleand serial FiR filter module serial LMS weight update module, the design of thetwo modules and integrated were designed, and simulation experiments, through万方数据the parallel call two different modules, each call the four way to design a 1 6 orderfilter as an example to illustrate the modular design method, and design of 32order and 64 order respectively with serial and the processing rate parallel designmethods and logic resources call were compared. The results show that theoperation rate and parallel call module is proportional to the number, far faster Inthe whole serial design mode, and for the 64 order all parallel system, greatlyimprove the design flexibility, reduce the consumption of hardware resourcesAfter the design on this basis, the traditional adaptive trapped wave filter, filterfrequency fixed defects, put forward a method of frequency domain transformdetection noise characteristic frequency, and can change in real time accordingto the characteristics of noise frequency trapped wave frequency filter designmethods, in order to reduce the design complexity and the sign LMs adaptivenotch filter algorithm, the characteristic variables of the symbol is determinedthrough the simulation experiment of Matlab. And the noise signal extractionalgorithm are introduced and the simulation design, the final design according tofrequency noise automatically adjust the trapped wave frequency adaptive notchfilter, and on the performance of the filters were Modelsim simulation researchthe adaptive notch filter has CaN effectively filter on the frequency of the singlefrequency noise signal, and does not affect the characteristics of waveforms usefulFor the fpga design of two based on the lms adaptive algorithm of filterreflecting the FPGa in the adaptive filter design flexibility and uniqueness, twodifferent types of adaptive filter can be respectively applicable to ordinarydigital filter Can not effectively play the role of occasions, also the designmethod of other types of digital signal processing system based on FPGaimplementation has a certain reference valueKEY WORDS: FPGA, Adaptive transversal filter, Modular design, Adaptivenotch filter万方数据目录摘要ABSTRACT··,··*···第·章绪论…1.1研究目的与意义1.1.1数字滤波器简介·················+··*····+··········*···:··.*····…···*········:··+*·········1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义·“中,非2国内外研究现状1.2.1自适应滤波器研究现状122自适应滤波器的FPGA实现研究现状·······申中···申1.3课题的主要研究内谷··B申61.3.1课题的主要工作1.3.2课题的研究实现方案…4本章小结第二章自适应陷波滤波器的原理以及实验平台2.自适应滤波器理论介绍·····中中·········中·中·"中··中·中····中····申2.1.1IR与FIR滤波器简介2.12LMS算法原理132.1.3自适应陷波器的原理15214FFT变换的原理··p··中··中··,和p申·和中中····中·申22设计平台介绍2022.1自适应滤波器的设计平台20222自适应陷波滤波器接2223本章小结24第三章自适应横向滤波器的FPGA实现..273.1自适应滤波器的 Matlab仿真研究…····中中中申·中申···申申p中申·中申··申p申中273.1.1自适应滤波器的功能仿真研究273.2自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法…83.1.3自适应滤波器的收敛性能研究….30万方数据3.2自适应滤波器的FPGA模块化设计333.2.1自适应滤波器FPGA模块化设计原理333.22FIR串行模块的设计申·中p申申,申申申·申和中p申申非申·p;申p申·非申·申新申中和申p申和·申·申P申申·申申申p申p343.2.3LMS串行模块的设计35324自适应滤波器多级处理结构整体设计363.2.5结构特性分析393.3木章小结···非中中非第四章自适应陷波滤波器的FPGA设计41符号LMS算法的梯度特征值选择及系统结构设计.414.1.1符号LMS算法的梯度特征值选择4141.2FIR自适应陷波滤波器系统结构设计42噪声信号分析以及参考信号频率值提取……1464.2.1FFT变换的功能464.2.2FFT变换的参数介绍42.3 FFT IP核的调试以及功能测试……4842.4特征噪声频率提取算法.…43自适应陷波模块的设计非··申申中431自适应波器的 Matlab仿真43.2自适应陷波器FPGA设计时的数据截取方法554.3.3白适应陷波器模块的FPGA设计56434自适应陷波器的整体设计6044采用频域变换法自适应陷波器滤除工频噪声.44.1提高系统实时性的方法6144.2模拟与实验验证45木章小结·········65第五章总结与展望DD67参考文献致谢75攻读学位期间发表的学术论文目录77ⅤI万方数据太原理工大学硕上饼究生学位论文第一章绪论1.1研究目的与意义滤波器从1917年发明以米,已经有近一个世纪的发展史1,滤波器的发明也极大的推进了电了器件以及通信的发展。计算机技术以及集成电路的技术的发展又使滤波器产生飞跃式的发展,各科数字电路以及模拟开关电路元件体积越来越小,密度越来越高,直接催生了集成芯片式RC有源滤波器,开关电容滤波器以及数字滤波器。使滤波器的应用范围再一次扩大,不仅仅在通信领域,在医学,电气,图像处理等领域也起到了举足轻重的作用。1.1.1数字滤波器简介数字滤波器作为数字信号处理的一部分,是随着计算机以及数字器件的发展而发展起来的一门比较新的技术,尤其近几年来,数字处理芯片以及数字信号处理技术的发展使得数字滤波器的优点越米越突出,现代数字滤波器可以轻易实现将过渡带缩短到Iz以內,这点是模拟滤波器无法达到的性能指标。数字滤波器比模拟滤波器还有更优越的信噪比、可靠性以及灵活性和可扩展性,并且随着数字集成电路的发展,制作成本将会越来越低S。目前使用比较多的滤波器设计方法分别是无限冲击响应(IR)以及有限冲击响应(FR)波器,其屮由于FR滤波器可以很容易实现具有严格线性相位结构的滤波器,而IR滤波器要达到严格线性相位结构必须经过仝通网终线性相位矫正从而大大增加滤波器的阶数。FR滤波器由于其冲击响应有限,所以是个稳定系统。并且没有反馈环节,有利于其在使件上实现。所以FR滤波器以其独有的优势应用于线性相位结构的系统屮。近几年米,随着RLS以及LMS自适应算法的提出S,很多专家学者提出了利用自适应算法在数字系统上设计自适应滤波器,使滤波器的性能更加灵活,并且在对滤波器有特殊滤波要求的场合使用門,例如自适应陷波器常用在电气设备中滤除工频干扰而对其余频率信号几乎完全不产生影响,以及在通道失配屮采用自适应滤波原理进行矫正12,有些系统可以采用自适应算法达到抵消噪声千扰3,这些都是常规滤波器无法达万方数据基于FPGA的自适应滤波器设计到的性能指标。LMS算法以其简单的特性,可以在多和数字芯片上进行设计。尤其在FPGA上实现各种自适应滤波器14,是目前针对自适应滤波器方面的一个研究方向。1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义FIR与IR滤波器都是数字滤波器,即在数字系统上实现滤波器功能,而数字系统又分为软件数字系统实现以及硬件数字系统实现,软件数字系统实现最常用的例如使用MEATLAB或者 Labview进行编程实现15,其优点是可以自如的调节信号字长以及滤波步长,可以达到很高的精度,并且可以综合其它的处理功能为一体。缺点是接口比较单,必须接外置的采集卡,需要以计算机为载休休积往往很大。并且对信号的处理速度在相同糸件下要比硬件实现的滤波器系统要慢,并不能达到很好的实吋性,实际应用中只适用于屮、少量的数据后期分析以及对成本以及实时性要求不高的一些系统使用16。哽件芯片实现的数字滤波器实吋性要比PC杋软件好,并且硬件载体也比较多,如单片机、ARM类芯片,和专门用于数字信号处理的DSP芯片上均可以实现滤波器功能,但是其运算均为串行运算,(现场可编程门阵列)FPGA作为·种可编辑器件,不仅能实现上述所有芯片的功能,在资源配置合理的情况下,还能进行处理馍垬多重并行调用,即在个芯片上实现多个基本芯片同时处理的功能8,从而达到特别优异的数字信号处理功能,目前在图像处理等需要实时对大量数字信号进行滤波处理的领域,FPGA已经成为款不可或缺的芯片。但硬件设计数字滤波器的时候,山于数字滤波器的特殊性,在设计数字滤波器的时候,并没有现成的标准公式,这造成了很多数字滤波器并不能完全直接在硬件系统上实现,例如,FR数字滤波器,必须先利用软件工具得出FIR滤波器的各延迟抽头系数才能进行硬件设计,所以设计FIR滤波器的时候,是离不开计算机系统的,但是设计好的滤波器,可以脱离软件系统进行使用。由亍FR滤波器的本质就是一个标准的乘加运算集,恰好可以利用分布式算法实砚FIR滤波器,分布式算法的每个乘法运算屮必须有一个乘数为常数,这又与FPGA的基本逻辑单元査找表的功能相适应,利用査找表结构可以进行个常数乘数与·个变量相乘的运算,这样在实现FIR滤波器的时候,利用分布式算法,可以实现不使用或仅使用少量乘法器资源即可完成FR滤波器结构设计,FPGA的设计结构刚好与FIR滤波器的万方数据
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