LabVIEW計數(shù)濾波器在信號降噪中的應(yīng)用

0 引言

方波頻率信號具有工作穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強，便于與計算機接口等一系列優(yōu)點， 因此在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。但是在一些高電壓、大電流、高頻電磁場的工業(yè)現(xiàn) 場環(huán)境中，方波頻率信號也往往受到高頻電磁干擾的影響，疊加一些尖峰脈沖干擾信號。這 類干擾具有干擾力強、無規(guī)律的特點，嚴重影響測量信號的準確性。

實際應(yīng)用中，一般采用隔離技術(shù)來消除方波頻率信號中的傳導(dǎo)干擾，但當空間的電磁輻 射干擾較為強烈時，單純的隔離技術(shù)難以達到有效降噪的目的。通過增加硬件脈寬數(shù)字濾波 電路可以達到抑制或消除高頻信號中的尖峰干擾，但需增加設(shè)備成本、且安裝調(diào)試繁雜。

本文采用LabVIEW 進行伺服電機位置、速度、轉(zhuǎn)矩等信息傳送的采集，以對多軸伺服 系統(tǒng)的同步/協(xié)調(diào)性能進行監(jiān)測。現(xiàn)場測試中，扭矩傳感器輸出的方波頻率信號受到嚴重尖 峰脈沖的干擾，這里將光電隔離技術(shù)與基于LabVIEW 環(huán)境編譯的計數(shù)濾波器相結(jié)合，設(shè)計 實現(xiàn)了可靠、便捷的方波頻率信號濾波，工程實踐表明，該方法能有效降低傳導(dǎo)干擾和輻射 干擾對頻率測量精度的影響。

1 計數(shù)濾波原理

計數(shù)濾波器(Counter Filters)，也稱為脈沖寬度濾波器，主要采用計數(shù)的方法來實現(xiàn) 數(shù)字濾波。尖峰干擾的頻率往往比方波信號要高很多，因此當脈寬小于某一設(shè)定值時，不可 能是真實的高頻方波脈沖信號，應(yīng)給以濾除，從而抑制線路上的尖峰干擾。這也就是脈寬數(shù) 字濾波電路的工作原理。

以NI 公司M 系列PCI-6221 數(shù)據(jù)采集卡為例，其輸入信號、基準時鐘信號、經(jīng)濾波后 的輸入信號的脈沖波形如圖1 所示。其使用在板的振蕩器產(chǎn)生的40MHz 頻率作為濾波器的 基準時鐘，預(yù)置濾波脈寬為125 ns (N = 5)，當原始輸入信號由低變高后，基準時鐘信號開 始被計數(shù)，當檢測到的脈沖寬度小于125ns 時，確定為尖峰干擾，不予輸出，當輸入信號寬 度大于預(yù)置濾波寬度時，濾波器輸出方波供后序電路處理。從圖1 可以看出，短時的脈沖干 擾得到很好的濾除。

NI 公司在M 系列測試設(shè)備對Counter Filters 功能的應(yīng)用上提供了三項可選濾波脈沖寬 度的選擇，相應(yīng)的配置參數(shù)見表1。濾波脈寬的選擇是影響計數(shù)頻率濾波器濾波效果的關(guān)鍵， 脈寬太小，部分干擾信號不能與數(shù)字信號分離;太大將會使高頻數(shù)字信號失真，所以應(yīng)用中 應(yīng)根據(jù)實際現(xiàn)場情況，選擇適當?shù)臑V波脈寬。

2 LabVIEW計數(shù)濾波方法

2.1 LabVIEW開發(fā)環(huán)境

基于G 語言的圖形化編程環(huán)境LabVIEW 是美國NI 公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，它是一種 功能強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，同時也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件 集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢之一就是針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析和 數(shù)據(jù)處理等任務(wù)設(shè)計提供了豐富完善的功能圖標，用戶只需直接調(diào)用，就可免去自己編寫成 的煩瑣。

針對數(shù)字信號的采集及噪聲信號的濾波， LabVIEW 提供了一套數(shù)據(jù)采集的 NI-DAQmx VI(模板)以及多功能的屬性節(jié)點等模板，使得計數(shù)濾波器的軟件實現(xiàn)變得更 高效且操作簡單。NI-DAQmx 即數(shù)據(jù)采集測試服務(wù)軟體，是數(shù)據(jù)采集驅(qū)動軟件發(fā)展的新一 代產(chǎn)品，可幫助用戶更快速創(chuàng)建、測試并發(fā)布使用高性能的測量應(yīng)用程序，也是NI 測量服 務(wù)軟件的核心。

2.2 LabVIEW 計數(shù)濾波器的軟件實現(xiàn)

本文所設(shè)計的計數(shù)濾波器就是基于LabVIEW 的虛擬儀器。該計數(shù)濾波器模板包含許多 子模板(也稱子VI)，其中主要包括以下5 個子VI:

(1) DAQmx Create Virtual Channel(CI-Frequency).vi創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)子VI;

(2) DAQmx Channel Property Node.vi 屬性節(jié)點子VI;

(3) DAQmx StartTask.vi 啟動任務(wù)函數(shù)子VI;

(4) DAQmx Read(Counter DBL 1Chan 1Samp).vi 讀取函數(shù)子VI;

(5) DAQmx Clear Task.vi 清除任務(wù)函數(shù)子VI;

后面板應(yīng)用程序搭建如圖2所示。

(1)創(chuàng)建一個虛擬頻率輸入通道和一個計數(shù)沿任務(wù);

(2)建立計數(shù)器的輸入端并在輸入端上創(chuàng)建對數(shù)字信號進行濾波的控制程序模塊。All

Functions>>NI Measurements>>DAQmx-Date Acquisition>>Active>>Counter

Input>>Frequency>>Digital Filter>>Minimum pulse width/Enable;

(3)調(diào)用DAQmx Start Task.vi 啟動數(shù)據(jù)采集功能;

(4)通過設(shè)定的Counter DBL 1Chan 1Samp 模式在While Loop 循環(huán)中讀取波形數(shù)據(jù)直至操

作者按下停止按鈕或有錯誤產(chǎn)生時停止;

(5)設(shè)有彈出對話框提示清除錯誤信息及舊任務(wù)等功能。

在運行計數(shù)濾波器LabVIEW 程序?qū)夥甯蓴_信號進行濾波前，首先在脈沖寬度設(shè)定欄 輸入所選的預(yù)置濾波脈寬值,其次在通道設(shè)定欄輸入選定的虛擬通道號，然后按下濾波矢能 按鈕，再啟動整個程序進入濾波狀態(tài)。相關(guān)硬件設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，執(zhí)行濾波器程序，即可得到 基本理想的頻率波形。

3 實驗測試系統(tǒng)

3.1測試系統(tǒng)組成

該測試系統(tǒng)應(yīng)用于伺服電機同步/協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計開發(fā)與性能測試上，由載荷模擬實 驗臺架、傳感器和數(shù)據(jù)采集卡及實時采樣監(jiān)測軟件組成。

(1)載荷模擬實驗臺架

實驗臺架上安裝有伺服電機、磁粉制動器、慣量盤、傳感器等。為使測試系統(tǒng)實驗臺架 工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作，臺架的機械結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計，將一級主軸與二級主軸成 對角線平行布置，且每軸均采用同步齒形帶進行多級傳動。伺服電機輸出軸上安裝有扭矩傳 感器和高精度編碼器，用于扭矩和位置信號的采集。通過扭矩傳感器測量軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈 沖信號，輸入到數(shù)據(jù)采集卡，采集到的數(shù)據(jù)通過LabVIEW 處理，如對頻率信號進行計數(shù)器 濾波等，得出測試結(jié)果。

(2)實時監(jiān)測軟件為工業(yè)控制計算機內(nèi)編寫的專用測試軟件，可采集位置、速度、轉(zhuǎn)矩等 系統(tǒng)的運行狀態(tài)信號，并保證多路數(shù)據(jù)的同步性。

3.2 扭矩信號采集

LabVIEW 計數(shù)濾波器應(yīng)用于上述系統(tǒng)中由扭矩傳感器輸出的方波信號的噪聲濾除中。 根據(jù)項目要求，實驗中關(guān)鍵硬件設(shè)備選擇如下：

(1) 扭矩傳感器：選用北京三晶的JN338-A100，轉(zhuǎn)矩準確度>0.5%，過載能力150%F·S， 測量范圍10-100Nm，零轉(zhuǎn)矩頻率輸出10KHz，正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出15KHz，反向轉(zhuǎn)矩 滿量程頻率輸出5KHz。該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信 號的輸出，能夠測量穩(wěn)態(tài)扭矩，也能測量過渡過程的動態(tài)轉(zhuǎn)矩;輸出信號以頻率形式給出。

(2) 數(shù)據(jù)采集卡：選用NI 公司M 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，16 路模擬量輸入，速 率250kS/s,16bit 的分辨率;24 路數(shù)字量輸入/輸出;2 路模擬量輸出，16bit 的分辨率;32 位計數(shù)器，數(shù)字觸發(fā);附帶DAQmx 驅(qū)動。完全滿足轉(zhuǎn)矩測量和磁粉制動器的控制需求。

4 降噪效果驗證實驗

測試系統(tǒng)運作過程：伺服驅(qū)動器收到上位機指令驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)，與電機軸相連的扭 矩傳感器工作，輸出5KH-15KH 脈沖信號，該信號經(jīng)過“光隔”后輸入數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221 進入工業(yè)控制計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過在LabVIEW 中創(chuàng)建的虛擬通道對數(shù)字信號進 行數(shù)據(jù)采集、處理。

實驗步驟及降噪效果：

(1) 采集未應(yīng)用計數(shù)濾波器時得到信號波形。 未應(yīng)用計數(shù)濾波器時得到的工程現(xiàn)場采集到的信號波形如圖3 所示，零扭矩時頻率為 10KHZ，但信號中存在很多遠遠超出最大量程的噪聲干擾。

(2) 采集啟用計數(shù)濾波器后的信號波形并進行對比

采用計數(shù)濾波器后，設(shè)置計時濾波器的脈沖寬度為*25us，按下濾波矢能按鈕，啟動 濾波程序，經(jīng)過濾波器的濾波后的輸出信號如圖4 所示，信號未見嚴重失真，尖峰干擾被有 效濾除。

5 結(jié)論

本文針對工程測試現(xiàn)場出現(xiàn)的方波頻率信號中存在大量尖峰脈沖干擾的噪聲污染問題， 提出了采用LabVIEW 計數(shù)濾波方法的解決方案。通過測試結(jié)果證明，該濾波器對方波信號 中的尖峰干擾成分起到了很好的濾除作用，具有很強的可操作性和工程應(yīng)用價值并節(jié)省硬件 資源，對采用LabVIEW 軟件進行脈寬數(shù)字濾波的工程應(yīng)用研究作出有益補充。