LabVIEW计数滤波器在信号降噪中的应用

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                    　　摘要：本文针对工业测试现场中方波频率信号的高频噪声污染问题,选用LabVIEW中提供的脉宽滤波、数据采集等功能模块组建了虚拟计数滤波器,设计并实现了一种可靠、便捷的方波频率信号的数字滤波。工程实践表明,该方法能有效降低尖峰干扰对频率测量精度的影响。
　　0 引言
　　方波频率信号具有工作稳定、精度高、抗干扰能力强，便于与计算机接口等一系列优点， 因此在现代测控系统中得到广泛地应用。但是在一些高电压、大电流、高频电磁场的工业现 场环境中，方波频率信号也往往受到高频电磁干扰的影响，叠加一些尖峰脉冲干扰信号。这 类干扰具有干扰力强、无规律的特点，严重影响测量信号的准确性。
　　实际应用中，一般采用隔离技术来消除方波频率信号中的传导干扰，但当空间的电磁辐 射干扰较为强烈时，单纯的隔离技术难以达到有效降噪的目的。通过增加硬件脉宽数字滤波 电路可以达到抑制或消除高频信号中的尖峰干扰，但需增加设备成本、且安装调试繁杂。
　　本文采用LabVIEW 进行伺服电机位置、速度、转矩等信息传送的采集，以对多轴伺服 系统的同步/协调性能进行监测。现场测试中，扭矩传感器输出的方波频率信号受到严重尖 峰脉冲的干扰，这里将光电隔离技术与基于LabVIEW 环境编译的计数滤波器相结合，设计 实现了可靠、便捷的方波频率信号滤波，工程实践表明，该方法能有效降低传导干扰和辐射 干扰对频率测量精度的影响。
　　1 计数滤波原理
　　计数滤波器（Counter Filters），也称为脉冲宽度滤波器，主要采用计数的方法来实现 数字滤波。尖峰干扰的频率往往比方波信号要高很多，因此当脉宽小于某一设定值时，不可 能是真实的高频方波脉冲信号，应给以滤除，从而抑制线路上的尖峰干扰。这也就是脉宽数 字滤波电路的工作原理。
　　以NI 公司M 系列PCI-6221 数据采集卡为例，其输入信号、基准时钟信号、经滤波后 的输入信号的脉冲波形如图1 所示。其使用在板的振荡器产生的40MHz 频率作为滤波器的 基准时钟，预置滤波脉宽为125 ns (N = 5)，当原始输入信号由低变高后，基准时钟信号开 始被计数，当检测到的脉冲宽度小于125ns 时，确定为尖峰干扰，不予输出，当输入信号宽 度大于预置滤波宽度时，滤波器输出方波供后序电路处理。从图1 可以看出，短时的脉冲干 扰得到很好的滤除。






　　2 LabVIEW计数滤波方法
　　2.1 LabVIEW开发环境
　　基于G 语言的图形化编程环境LabVIEW 是美国NI 公司的创新软件产品，它是一种 功能强大的虚拟仪器开发平台，同时也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件 集成开发环境。LabVIEW 开发环境的优势之一就是针对数据采集、仪器控制、信号分析和 数据处理等任务设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可免去自己编写成 的烦琐。
　　针对数字信号的采集及噪声信号的滤波， LabVIEW 提供了一套数据采集的 NI-DAQmx VI（模板）以及多功能的属性节点等模板，使得计数滤波器的软件实现变得更 高效且操作简单。NI-DAQmx 即数据采集测试服务软体，是数据采集驱动软件发展的新一 代产品，可帮助用户更快速创建、测试并发布使用高性能的测量应用程序，也是NI 测量服 务软件的核心。
　　2.2 LabVIEW 计数滤波器的软件实现
　　本文所设计的计数滤波器就是基于LabVIEW 的虚拟仪器。该计数滤波器模板包含许多 子模板（也称子VI），其中主要包括以下5 个子VI:
　　（1） DAQmx Create Virtual Channel（CI-Frequency）.vi创建虚拟通道函数子VI；
　　（2） DAQmx Channel Property Node.vi 属性节点子VI；
　　（3） DAQmx StartTask.vi 启动任务函数子VI；
　　（4） DAQmx Read(Counter DBL 1Chan 1Samp).vi 读取函数子VI；
　　（5） DAQmx Clear Task.vi 清除任务函数子VI；
　　后面板应用程序搭建如图2所示。






　　（2） 采集启用计数滤波器后的信号波形并进行对比
　　采用计数滤波器后，设置计时滤波器的脉冲宽度为*25us，按下滤波矢能按钮，启动 滤波程序，经过滤波器的滤波后的输出信号如图4 所示，信号未见严重失真，尖峰干扰被有 效滤除。






　　5 结论
　　本文针对工程测试现场出现的方波频率信号中存在大量尖峰脉冲干扰的噪声污染问题， 提出了采用LabVIEW 计数滤波方法的解决方案。通过测试结果证明，该滤波器对方波信号 中的尖峰干扰成分起到了很好的滤除作用，具有很强的可操作性和工程应用价值并节省硬件 资源，对采用LabVIEW 软件进行脉宽数字滤波的工程应用研究作出有益补充。