FIR濾波器程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)基于Labview的交流參數(shù)測(cè)試儀

1、基于labview的交流參數(shù)測(cè)試儀1.設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求；編寫fir濾波器程序。要求：1）研究fir濾波器原理以及利用dsp實(shí)現(xiàn)的方法。 2）編寫fir濾波器的程序。 3）調(diào)試程序，觀察結(jié)果。2.對(duì)設(shè)計(jì)論文撰寫內(nèi)容、格式、字?jǐn)?shù)的要求；（1）.課程設(shè)計(jì)論文是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計(jì)成果的載體，一般不應(yīng)少于3000字。（2）.學(xué)生應(yīng)撰寫的內(nèi)容為：中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)等。課程設(shè)計(jì)論文的結(jié)構(gòu)及各部分內(nèi)容要求可參照沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范執(zhí)行。應(yīng)做到文理通順，內(nèi)容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。（3）.論文要求打印，打印時(shí)按沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范的要求進(jìn)行打印。（4）

2、. 課程設(shè)計(jì)論文裝訂順序?yàn)椋悍饷?、任?wù)書、成績(jī)?cè)u(píng)審意見表、中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)。3.時(shí)間進(jìn)度安排；順序階段日期計(jì) 劃 完 成 內(nèi) 容備注17月4日教師講解題目，學(xué)生查閱相關(guān)資料27月5日進(jìn)行方案論證，確定程序流程和實(shí)現(xiàn)方法37月6日編寫程序47月7日調(diào)試程序57月8日撰寫論文，程序驗(yàn)收沈 陽(yáng) 工 程 學(xué) 院 dsp控制器原理與應(yīng)用 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表系（部）： 自控系 班級(jí)： 測(cè)控本082 學(xué)生姓名： 張九霞 指 導(dǎo) 教 師 評(píng) 審 意 見評(píng)價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評(píng) 分加權(quán)分調(diào)研論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn),收集資料；能制定課程設(shè)計(jì)方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認(rèn)

3、真，遵守紀(jì)律，出勤情況是否良好，能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導(dǎo)教師評(píng)審成績(jī)（加權(quán)分合計(jì)乘以12） 分加權(quán)分合計(jì)指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 年 月 日評(píng) 閱 教 師 評(píng) 審 意 見評(píng)價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評(píng) 分加權(quán)分查閱文獻(xiàn)查閱文獻(xiàn)有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技

4、術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評(píng)閱教師評(píng)審成績(jī)（加權(quán)分合計(jì)乘以8）分加權(quán)分合計(jì)評(píng) 閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設(shè) 計(jì) 總 評(píng) 成 績(jī)分中文摘要數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processing,dsp）也稱為dsp芯片，是一種用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要功能是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法及各種復(fù)雜控制算法。有限沖激響應(yīng)(fir)濾波器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件,具有嚴(yán)格的線性相頻特性,同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的,系統(tǒng)穩(wěn)定。fir濾波器的輸出僅取決于現(xiàn)在的輸入和有限個(gè)過去的輸出，,而與過去的輸出無關(guān)。

5、長(zhǎng)度n，輸出為，輸出為的fir濾波器可用差分方程描述為：即輸出序列為系統(tǒng)的沖激響應(yīng)與輸入信號(hào)的卷積。 在此次課程設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一個(gè)低通fir濾波器。根據(jù)要求，選擇布萊克曼窗實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)，運(yùn)用正弦波與矩形波疊加后的波形作為輸入波形，對(duì)它進(jìn)行濾波，并通過觀察頻譜圖來驗(yàn)證濾波的效果。通過matlab仿真軟件計(jì)算求得濾波器的階數(shù)，最后通過實(shí)驗(yàn)仿真，從輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的時(shí)域和頻域曲線可看出在dsp上實(shí)現(xiàn)的濾波器能完成預(yù)定的濾波任務(wù)。關(guān)鍵詞 dsp,數(shù)字信號(hào)處理，fir濾波器，matlab- 14 -目 錄中文摘要v目 錄vi1 設(shè)計(jì)任務(wù)描述11.1設(shè)計(jì)題目：直流數(shù)字電壓表程序設(shè)計(jì)11.2 設(shè)計(jì)要求1

6、1.2.1 設(shè)計(jì)目的11.2.2 基本要求11.2.3 發(fā)揮部分12、設(shè)計(jì)思路23、設(shè)計(jì)方框圖34、系統(tǒng)軟件流程45、主要程序設(shè)計(jì)及各部分功能介紹55.1數(shù)據(jù)采集卡ni-daq55.2交流參數(shù)測(cè)試及顯示65.2.1電壓的交流參數(shù)測(cè)試及顯示65.3有關(guān)功率的計(jì)算與設(shè)計(jì)95.4檔位選擇105.5啟停與日期獲得區(qū)域106、仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)顯示126.1正弦波仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)顯示126.2三角波仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)顯示96.3 方波仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)顯示127、工作過程分析14小 結(jié)15致 謝16參考文獻(xiàn)17附錄一電路圖181 設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1設(shè)計(jì)題目：fir濾波器程序設(shè)計(jì)1.2 設(shè)計(jì)要求1.2.1 設(shè)計(jì)目的1）

7、研究fir濾波器原理以及利用dsp實(shí)現(xiàn)的方法。2）編寫fir濾波器的程序。3）調(diào)試程序，觀察結(jié)果。1.2.2 基本要求1.2.3 發(fā)揮部分（1）輸入正弦波進(jìn)行濾波。（2）輸入疊加后的波進(jìn)行濾波。 2、設(shè)計(jì)思路本次dsp控制器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)中，我的題目是fir濾波器程序的設(shè)計(jì)，即利用dsp的仿真軟件實(shí)現(xiàn)fir濾波器的程序設(shè)計(jì)，并根據(jù)輸入的不同波形進(jìn)行仿真并觀察仿真后的結(jié)果，同時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果是否正確課程設(shè)計(jì)的要求是設(shè)計(jì)fir濾波器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波形的濾波等功能，我利用所學(xué)的數(shù)字信號(hào)處理與dsp控制器原理與應(yīng)用知識(shí)以及查找資料，在完成老師的要求下還進(jìn)行了適當(dāng)?shù)陌l(fā)揮。我的設(shè)計(jì)思路大體分為以下幾部分1

8、） 查找相關(guān)資料對(duì)fir濾波器進(jìn)行深入的了解。fir濾波器的單位脈沖響應(yīng)有限長(zhǎng),系統(tǒng)不存在非穩(wěn)定現(xiàn)象。我們總能用因果穩(wěn)定系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，fir濾波器主要的不足在于其較好的性能是以較高的階數(shù)為代價(jià)換來的，對(duì)于相同的設(shè)計(jì)指標(biāo)fir濾波器所要求的階數(shù)比iir濾波器高2-3倍信號(hào)延遲偏大，因此，在保證相同性能的前提下，盡量降低其階數(shù)是fir數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。2） 通過matlab仿真軟件，并根據(jù)要求，求得fir濾波器各階的系數(shù)。3） 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程。對(duì)濾波器部分進(jìn)行程序編程，由于此次課程設(shè)計(jì)中書上已經(jīng)給出了源程序，所以這部分就變的容易了很多。4） 將輸入信號(hào)部分程序與濾波器部分進(jìn)行結(jié)合，

9、并調(diào)試程序，進(jìn)行軟件仿真，通過曲線的時(shí)域與頻域的曲線圖觀察結(jié)果是否正確。 通過一周的努力與學(xué)習(xí)我最終比較圓滿的結(jié)束了dsp控制器原理與應(yīng)用的課設(shè)，我的設(shè)計(jì)在滿足老師要求的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了適當(dāng)?shù)陌l(fā)揮。3、fir濾波器的各部分程序設(shè)計(jì)與思路3.1 fir濾波器設(shè)h(n),n=0,1,2 n-1為濾波器的沖激響應(yīng),輸入信號(hào)為x(n),則fir濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程:式中,y(n)為輸出信號(hào),即經(jīng)過濾波之后的信號(hào);n為濾波器階數(shù)。fir濾波器的最主要特點(diǎn)是沒有反饋回路,因此是無條件穩(wěn)定系統(tǒng),其單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。由式(1)可見,fir濾波算法實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算,不斷地輸入樣

10、本x(n),經(jīng)延時(shí)(z-1)做乘法累加,再輸出濾波結(jié)果y(n)。對(duì)式(1)進(jìn)行z變換,整理后可得fir濾波器的傳遞函數(shù)為:圖3-1所示為fir濾波器的一般結(jié)構(gòu)：圖3-1 fir濾波器結(jié)構(gòu)圖fir濾波器的主要特點(diǎn)是沒有反饋回路，因此它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。它的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。如果h(n)是實(shí)數(shù)，且滿足偶對(duì)稱或奇對(duì)稱的條件，即h(n)=h(n-1-n)或h(n)=-h(n-1-n)。則濾波器具有線性相位特性。偶對(duì)稱線性相位fir濾波器（n為偶數(shù)）的差分反方程表達(dá)式為：線性相位fir濾波器是用得最多的fir濾波器。有上式可知，fir濾波器算法實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算。它不斷地輸入樣

11、本,經(jīng)過延時(shí)（），做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果.3.2 matlab實(shí)現(xiàn)的濾波器階數(shù)計(jì)算matlab是美國(guó)mathworks公司與1967年推出的軟件包，它是一個(gè)功能強(qiáng)、效率高、便進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算的交互式軟件包，其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制、優(yōu)化等應(yīng)用程序。同時(shí)matlab提供了相應(yīng)的子程序來實(shí)現(xiàn)窗函數(shù)，例如：wd=boxcar(n)數(shù)組wd中返回n點(diǎn)矩形窗函數(shù)wd=triang(n)數(shù)組wd中返回n點(diǎn)三角窗函數(shù)wd_hanning(n)數(shù)組wd中返回n點(diǎn)漢寧窗函數(shù)wd=hamming(n)數(shù)組wd中返回n點(diǎn)哈明窗函數(shù)wd=blackman(n)數(shù)組wd中

12、返回n點(diǎn)布萊克曼窗函數(shù)wd=kaiserfn，beta)數(shù)組wd中返回給定beta值時(shí)n點(diǎn)凱澤窗函數(shù) 根據(jù)課設(shè)要求，選擇布萊克曼窗，其matlab程序設(shè)計(jì)如下：3.3 fir濾波器的dsp實(shí)現(xiàn)仿真器xds即擴(kuò)展開發(fā)系統(tǒng)，可用來進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的集成調(diào)試，是進(jìn)行dsp芯片軟硬件開發(fā)的最佳工具。目前主要有兩種類型的仿真器：一種是傳統(tǒng)的電路仿真器，主要用于早期的ims320clx及tms320c2x兩代dsp芯片的仿真。tms320c54x片內(nèi)沒有i/o資源，cpu通過外部譯碼可以尋址64kw的i/o單元。有兩條指令可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出：portr pa,smem ;smem=paportw smem,pa

13、 ;pa=smem這兩條指令至少要2個(gè)字和2個(gè)機(jī)器周期。如果i/o設(shè)備是慢速器件，則需要插入等待狀態(tài)。此外，當(dāng)利用長(zhǎng)偏移間接尋址或絕對(duì)尋址smen時(shí)，還要增加1個(gè)字或1個(gè)機(jī)器周期。3.4 fir濾波器的整體設(shè)計(jì)（1）首先要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，即根據(jù)fir濾波器要求的頻率響應(yīng)函數(shù)，經(jīng)過傅里葉變換得到，如果要求的濾波器的頻率響應(yīng)存在過渡帶，則設(shè)計(jì)中所使用的截止頻率由通帶頻率和阻帶頻率按下式求出。（2）選擇合適的窗函數(shù)，根據(jù)所允許的過渡帶寬，估計(jì)序列的長(zhǎng)度n。（3）利用matlab中的提供的一個(gè)子程序叫做firl，其標(biāo)準(zhǔn)格式為：求濾波器的系數(shù)。其中： b為待設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)向量，其長(zhǎng)度為n=m+1; m為

14、所選的濾波器階數(shù)；type為濾波器的類型，如高通、帶通、帶阻等，缺省時(shí)為低通；window為選定的窗函數(shù)類型，缺省時(shí)為hamming窗。（4）編寫程序?qū)崿F(xiàn)fir濾波器。4、程序流程圖的設(shè)計(jì)編寫主程序定義變量與函數(shù)申明初始化數(shù)據(jù)開始判斷采樣點(diǎn)數(shù)是否達(dá)到 n y結(jié)束輸出波形5、各部分程序設(shè)計(jì)與介紹5.1輸入信號(hào)正弦波作為典型的信號(hào)正弦波信號(hào)其頻譜圖具有明顯的特點(diǎn)：其頻譜圖只在信號(hào)的頻率上有幅值，但是由于獲得的正弦信號(hào)是經(jīng)過采樣后的數(shù)字信號(hào)獲得，因此得到的正弦波信號(hào)存在干擾信號(hào)，并不是嚴(yán)格意義上的正弦波信號(hào)，因此得到的頻譜圖帶有拖尾。其仿真圖形如下：其程序設(shè)計(jì)如下：float inputsin(vo

15、id) int rq; for(rq=k;rq0;rq-) fxnsrq=fxnsrq-1; fxns0=sin(pi*300*ii/k*3)*4096; ii+; if(iik)ii=0; return(fxns0); 此次設(shè)計(jì)中把正弦信號(hào)作為頻率較大的干擾信號(hào)，其頻率為450hz，是矩形波信號(hào)的幾十倍，作為干擾信號(hào)與主波信號(hào)進(jìn)行疊加后，被濾波器濾除后，僅剩有主波信號(hào)即矩形波信號(hào)的頻譜圖。5.2 輸入主波信號(hào)矩形波 矩形波信號(hào)作為輸入信號(hào)的主波，其頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正弦波信號(hào)的頻率，才可以保證經(jīng)過低通濾波器后僅保留下矩形波的信號(hào)，通過其頻譜圖可以明顯的發(fā)現(xiàn)最后正弦波信號(hào)被濾除。矩形波的圖形如下：

16、其程序設(shè)計(jì)如下：float inputwave(void) for(i=n-1;i0;i-) fxni=fxni-1; fxn0=sin(fsignial1)+cos(fsignial2)/6.0; fsignial1+=fstepsignial1; if(fsignial1=f2pi) fsignial1-=f2pi; fsignial2+=fstepsignial2; if(fsignial2=f2pi) fsignial2-=f2pi; return(fxn0); 矩形波信號(hào)可以看作是無數(shù)個(gè)正弦波信號(hào)與余弦波信號(hào)疊加而成的通過計(jì)算確定其各項(xiàng)的系數(shù)，最后得到的矩形波信號(hào)的頻率為30hz左右

17、，可以明顯看出其頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正弦波信號(hào)的頻率。5.3 濾波器程序設(shè)計(jì)與整體分析 根據(jù)課設(shè)的要求選擇布萊克曼窗，由截止頻率等已知的一些條件可以求得窗系數(shù)的長(zhǎng)度為25，用matlab仿真軟件求得濾波器的差分方程的系數(shù)為fhnn= 0.0,0.0,-0.002,-0.002,0.01,-0.009,-0.018,-0.049,-0.02,0.11,0.28,0.64,0.28,-0.11,-0.02,0.049,-0.018,-0.009,0.01,-0.002,-0.002,0.001,0.0,0.0 輸入的正弦波信號(hào)與矩形波信號(hào)疊加的信號(hào)經(jīng)過濾波器后僅保留下矩形波信號(hào)，正弦波信號(hào)作為干擾信號(hào)被濾除。 經(jīng)過濾波器后信號(hào)的頻譜圖為： 其程序設(shè)計(jì)如下：float fir() float fsum; fsum=0; for(i=0;i=256) nout=0; float inputwave(void) for(i=n-1;i0;i-) fxni=fxni-1; fxn0=sin(fsignial1)+cos(fsigni