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??? 工程設(shè)計(jì)可以從虛擬儀器中獲得什么？即便您對虛擬儀器并不熟悉，了解儀器如何影響工程設(shè)計(jì)也十分自然的。例如示波器等傳統(tǒng)儀器在測試和測量應(yīng)用中的不同階段及電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測試階段都被廣泛地應(yīng)用。但是，憑借快速開發(fā)工具、交互式設(shè)計(jì)功能以及與實(shí)際信號的自然關(guān)聯(lián)特性，虛擬儀器可以將工程設(shè)計(jì)帶入到一個(gè)新的時(shí)代。

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??? 例如數(shù)字信號處理（DSP）以及它與儀器之間的關(guān)系。數(shù)字信號處理器，簡稱為DSP，是一種針對數(shù)字信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)運(yùn)算的微處理器。要使用DSP處理模擬信號，首先要用抗鋸齒濾波器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，并將它送入到傳入DSP的數(shù)據(jù)流中。之后，DSP會以某種方式修改數(shù)據(jù)流，并通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）以及抗假象濾波器將信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)回模擬信號。通常而言，類似示波器等傳統(tǒng)獨(dú)立儀器會使用定制的固定嵌入式DSP系統(tǒng)。除此之外，示波器其實(shí)還可以通過虛擬儀器技術(shù)在個(gè)人電腦（PC）上實(shí)現(xiàn)。利用PC的強(qiáng)大性能，使用PCI數(shù)據(jù)采集設(shè)備對實(shí)際輸入信號進(jìn)行數(shù)字化，然后使用PC對信號進(jìn)行處理。這種虛擬儀器的方式可以使用戶依靠自行開發(fā)的軟件程序和在PC或者實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上完成自定義的儀器功能。

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??? 虛擬儀器提供的強(qiáng)大設(shè)計(jì)工具使得具有不同技能層次和不同教育背景的人都可以快速設(shè)計(jì)并開發(fā)自定義測試和測量系統(tǒng)。相反，過去的工程設(shè)計(jì)要求開發(fā)人員使用不相關(guān)的開發(fā)工具，還需要在領(lǐng)域設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都具備一定的工程專業(yè)知識。本文描述了如何將虛擬儀器設(shè)計(jì)工具應(yīng)用到信號處理工程設(shè)計(jì)中，從而消除在設(shè)計(jì)和最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間的障礙。我們將通過研究數(shù)字信號處理的設(shè)計(jì)與發(fā)布，并作為工程實(shí)例，來進(jìn)一步討論這個(gè)問題。

數(shù)字信號處理與虛擬儀器

??? 首先，我們來討論一下虛擬儀器的概念，它的出現(xiàn)是為了解決傳統(tǒng)獨(dú)立儀器的局限性。過去，測試和測量工具通常由例如示波器和波形發(fā)生器等獨(dú)立儀器組成，它們?yōu)橛邢薜臏y量應(yīng)用提供了有限的功能集合。這種傳統(tǒng)儀器具有三個(gè)基本局限性：1）硬件對信號采集提供有限的精度與速度；2）儀器中內(nèi)建的廠商定義的有限的測量與分析函數(shù)；3）用戶操作界面的局限性。如果這些局限性中有任何一點(diǎn)無法滿足項(xiàng)目規(guī)范的要求，那么就需要一個(gè)新的獨(dú)立儀器，這樣會大大增加最終系統(tǒng)成本。

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??? 自1976年以來，NI通過將傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器分成兩個(gè)基本部分為儀器帶入了一種新的觀念，這兩個(gè)部分是：對信號進(jìn)行數(shù)字化所需的硬件和分析顯示結(jié)果所需的軟件。允許最終用戶使用用戶定義的軟件為其應(yīng)用建立最終儀器，這樣儀器的局限性就被解決了，虛擬儀器的概念就是這樣誕生的。將軟件作為儀器，儀器就可以擴(kuò)展到測試、控制和設(shè)計(jì)中。

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??? 相對于傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器而言，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)與數(shù)字信號處理相對于模擬信號處理而言的優(yōu)點(diǎn)是相似的。例如，模擬濾波器通常使用運(yùn)算放大器、電容和電阻等模擬電子元件實(shí)現(xiàn)，相對于使用浮點(diǎn)或定點(diǎn)機(jī)器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器而言靈活性十分有限。盡管模擬濾波器比較便宜、易于建立，模擬濾波器的標(biāo)定和維護(hù)十分困難。要對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改也十分難以實(shí)現(xiàn)。例如，如果后來發(fā)現(xiàn)需要一個(gè)更高階的濾波器，就必須改動硬件實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字濾波器是用軟件建立的，并沒有這個(gè)問題，從而在單一硬件上提供了可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用的靈活平臺。

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??? 除了虛擬儀器和數(shù)字信號處理都發(fā)揮了基于軟件平臺的優(yōu)點(diǎn)，虛擬儀器通過利用圖形化編程開發(fā)環(huán)境NI LabVIEW使得易用性的優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)展，它能夠讓更多人參與到軟件開發(fā)和儀器設(shè)計(jì)中去。LabVIEW不僅提供了完全與傳統(tǒng)的基于文本的編程語言所不同的圖形化編程方式，使得編程過程變得更加直觀與方便，同時(shí)還通過自帶的Mathscript兼容了文本的編程語言，使得用戶可以兼容已有的算法，或者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來選擇合適的編程方式。這樣大大節(jié)省了需要熟悉編程環(huán)境和語法所需要的大量的時(shí)間。

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??? 這也是缺乏足夠的設(shè)計(jì)工具對數(shù)字信號處理所產(chǎn)生的影響？對于DSP工程師而言，使用傳統(tǒng)工具實(shí)現(xiàn)基于軟件的解決方案十分痛苦。典型的開發(fā)過程從算法設(shè)計(jì)開始，它需要使用多種數(shù)學(xué)建模環(huán)境，這要求對基于文本的命令和語法有著足夠的熟悉程度。在完成算法之后，嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來了新的困難。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對實(shí)時(shí)處理概念、板載內(nèi)存可用性以及在軟件開發(fā)中所需的基于文本的編程語言和語法有深入的知識。

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??? 在傳統(tǒng)的基于文本的設(shè)計(jì)工具中，調(diào)試又是相當(dāng)困難的。如果嵌入式系統(tǒng)沒有能夠按照期望的方式進(jìn)行工作，如何才能找出數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤如何對應(yīng)到具體的嵌入式系統(tǒng)代碼呢？例如量化、下溢出和上溢出等關(guān)于定點(diǎn)設(shè)計(jì)的問題很難進(jìn)行跟蹤，因?yàn)樗麄兂３Ｔ趯?shí)時(shí)執(zhí)行的前幾個(gè)循環(huán)中出現(xiàn)。例如斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、監(jiān)視可用寄存器和變量等常用的簡單調(diào)試工具是不夠的，因?yàn)樗麄冃枰脩羯釛墝?shí)時(shí)執(zhí)行，這樣也就無法使得問題重現(xiàn)。

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??? 在最近20年中，來自成千上萬家公司的工程師、科學(xué)家和技術(shù)員通過使用LabVIEW加速并簡化了開發(fā)過程，LabVIEW相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具而言更加強(qiáng)大，更加易于使用。LabVIEW具有通用編程語言所有的廣度和深度，其易用性提高了用戶效率，縮短了開發(fā)應(yīng)用程序所需的時(shí)間。

簡化DSP設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇

??? 以數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)為例，它是用NI LabVIEW和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包進(jìn)行開發(fā)與實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)應(yīng)用和其他應(yīng)用中，虛擬儀器方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供了交互性——可以直接看到制定修改設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)果。

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??? 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)首先要為濾波器類型（低通、帶通、帶阻和高通）定義濾波器規(guī)范，確定是有限脈沖響應(yīng)（FIR）或是無限脈沖響應(yīng)（IIR），確定采樣速率以及浮點(diǎn)機(jī)器上所需的濾波器響應(yīng)。圖1給出了用于設(shè)計(jì)典型濾波器的交互式界面，例如巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫、橢圓、凱塞窗、多爾夫—切比雪夫窗以及等波紋FIR設(shè)計(jì)方法。圖1所示的設(shè)計(jì)是8 kHz采樣速率、1 kHz帶通、2 kHz帶阻、60 dB帶阻衰減的低通數(shù)字濾波器。在設(shè)計(jì)這些參數(shù)的時(shí)候，可以立刻看到當(dāng)前設(shè)計(jì)的幅度響應(yīng)和零極點(diǎn)圖，以及產(chǎn)生濾波器的階數(shù)。在圖1中，選擇了反切比雪夫?yàn)V波器因?yàn)樗哂休^好的過度帶特性和相對較低的濾波器階數(shù)。

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圖1：典型濾波器設(shè)計(jì)Express VI提供了用于交互式設(shè)計(jì)探索的界面，可以使用教科書中的巴特沃斯、切比雪夫以及等波紋FIR等濾波器

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??? 基于虛擬儀器的信號處理設(shè)計(jì)所具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是圖形化的編程方式，類似流程圖式的圖形化編程方式使得程序更加直觀。同時(shí)，要嘗試一個(gè)新的算法只需要替換成所需要的函數(shù)圖標(biāo)即可。例如，反切比雪夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)可以方便地替換成雷米茲濾波器設(shè)計(jì)方法或是最小P階規(guī)范設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，在表1中所列的一系列編程設(shè)計(jì)選擇都可以用于設(shè)計(jì)中。雷米茲設(shè)計(jì)方法生成了FIR濾波器，可以將期望頻率響應(yīng)和實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器頻率響應(yīng)之間的最大誤差降到最小。這種設(shè)計(jì)規(guī)范產(chǎn)生的濾波器具有“等波紋”特性，即“切比雪夫”誤差行為。雷米茲工具產(chǎn)生的濾波器設(shè)計(jì)適用于類型I-IV線性相位、任意形狀FIR、最優(yōu)幅度近似（最大或最小相位）、單點(diǎn)帶規(guī)范（谷或峰）以及精確增益控制。最小P階規(guī)范方法可以用于設(shè)計(jì)帶有任意幅度和相位約束的FIR和IIR濾波器。使用數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包，最小P階規(guī)范方法使用牛頓法或迭代重賦權(quán)最小二乘（IRLS）法開發(fā)解決方案。

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??? 在對定點(diǎn)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)和發(fā)布的過程中，有一種特性的重要性是不言而喻的，就是需要能夠直接、交互式地查看設(shè)計(jì)結(jié)果。傳統(tǒng)的通過文本軟件定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的方法往往效率高、成本低，但是由于算法精度較低，其設(shè)計(jì)過程也更為復(fù)雜。

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??? 使用LabVIEW和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包，定點(diǎn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過程首先是對浮點(diǎn)濾波器進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)設(shè)計(jì)會大大改變?yōu)V波器的特性和性能。實(shí)現(xiàn)了指定定長寄存器的整數(shù)字長、濾波器拓?fù)涞绕渌麉?shù)，這些對于確保濾波器按照設(shè)計(jì)期望進(jìn)行工作是十分關(guān)鍵的。對定點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡婧头治隹梢员苊庵笤谡{(diào)試設(shè)計(jì)的時(shí)候，在千萬行嵌入式系統(tǒng)代碼中進(jìn)行調(diào)試查找。集成在VI設(shè)計(jì)環(huán)境中的定點(diǎn)建模、仿真和分析工具簡化了從浮點(diǎn)設(shè)計(jì)到定點(diǎn)設(shè)計(jì)之間的過渡。

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??? 另外一個(gè)使得定點(diǎn)數(shù)字濾波設(shè)計(jì)非常困難的原因是，參數(shù)量化、中間運(yùn)算和結(jié)果向系統(tǒng)引入了噪聲。此外，如果在數(shù)據(jù)存儲中沒有足夠的空間，就會發(fā)生上溢出。LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包中的定點(diǎn)建模、仿真和分析功能能夠在設(shè)計(jì)階段找出實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤源頭。例如，對于圖1設(shè)計(jì)的低通濾波器進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。用戶使用定點(diǎn)建模VI，就可以在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇定點(diǎn)系統(tǒng)、指定字長、整數(shù)字長以及設(shè)計(jì)中關(guān)鍵位置的舍入和溢出模式。為了對最終實(shí)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步控制，還提供了超過23種不同的濾波器拓?fù)?，從FIR直接形式1到IIR級聯(lián)二階部分（形式I或II、轉(zhuǎn)置），直至網(wǎng)格ARMA（基本、一個(gè)乘法器或歸一化部分）。

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??? 圖2展示了包含選擇濾波器拓?fù)?、定點(diǎn)設(shè)計(jì)工具以及用于定點(diǎn)和浮點(diǎn)設(shè)計(jì)仿真與分析的范例VI。這個(gè)VI提供了能夠隨著仿真運(yùn)行對實(shí)現(xiàn)參數(shù)進(jìn)行交互式修改的接口。首先，可以保持定點(diǎn)建模參數(shù)不變，使用默認(rèn)的濾波器拓?fù)洌褂谜龖B(tài)分布的白噪聲信號作為濾波器輸入，測試濾波器在所有頻率下的響應(yīng)。圖3給出了仿真結(jié)果。很明顯，定點(diǎn)濾波器并沒有給出與浮點(diǎn)仿真相同的結(jié)果，盡管設(shè)計(jì)的濾波器具有幾乎相同的幅度、相位和零極點(diǎn)圖。濾波器分析報(bào)告指出由于在乘法、加法、延遲中產(chǎn)生了上溢出和下溢出，因此得到的結(jié)果不夠理想。利用在VI環(huán)境中給出的信息，用戶可以對定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)修改，例如增加問題區(qū)域中的整數(shù)字長、嘗試其他濾波器拓?fù)浠蚴切薷亩c(diǎn)建模的其他屬性。對于這個(gè)設(shè)計(jì)而言，提高乘法、加法和延遲的整數(shù)字長就可以得到希望的定點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖4所示。

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圖2：程序框圖展示了濾波器的設(shè)計(jì)，可以修改濾波器拓?fù)洹⒄麛?shù)字長、對正態(tài)分步的白噪聲進(jìn)行定點(diǎn)和浮點(diǎn)設(shè)計(jì)仿真以及仿真分析

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圖3：前面板顯示了定點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)和浮點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)的幅度、相位和零極點(diǎn)圖特性以及仿真結(jié)果和第一個(gè)測試的分析

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圖4：根據(jù)在濾波器分析報(bào)告中提供的信息，增加了加法、乘法和延遲的整數(shù)字長，現(xiàn)在定點(diǎn)設(shè)計(jì)和浮點(diǎn)設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果能夠匹配

設(shè)計(jì)驗(yàn)證與發(fā)布

??? 虛擬儀器通過與測試測量應(yīng)用中所需的硬件自然整合在一起，改進(jìn)了工程設(shè)計(jì)。在上述數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中， PCI數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠獲得實(shí)際信號，將它與仿真信號進(jìn)行比較，就更加能確保濾波器設(shè)計(jì)的正確性。由于LabVIEW與NI以及眾多第三方廠家的數(shù)據(jù)采集硬件緊密整合，這點(diǎn)在工程設(shè)計(jì)中又是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。

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??? 許多測試與測量應(yīng)用需要具有能夠在包括實(shí)時(shí)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)的多平臺之間的可移植性。這點(diǎn)又是與工程設(shè)計(jì)相關(guān)的，其中VI需要可以被用于各種通用操作系統(tǒng)，包括Windows、Mac、Linux，以及支持LabVIEW的FPGA、DSP和任何32位微處理器等嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包是LabVIEW的一個(gè)附件，它提供了定點(diǎn)建模工具和LabVIEW FPGA以及ANSI-C代碼生成。DSP工程師現(xiàn)在可以利用LabVIEW的強(qiáng)大功能進(jìn)行完整的數(shù)字濾波器開發(fā)，從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證直至嵌入式系統(tǒng)發(fā)布。

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??? 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包為學(xué)術(shù)應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用都提供了發(fā)布方案。一種是將濾波器參數(shù)保存到文件中，這也是最簡單的發(fā)布方式，它將所有實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)保存到文件中，供以后使用。使用LabVIEW DSP模塊，可以讀取過去保存在文件中的濾波器參數(shù)，并在DSP上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。LabVIEW DSP將圖形化編程帶入到多個(gè)硬件平臺上，能夠廣泛地應(yīng)用于學(xué)術(shù)中，其中包括了NI SPEEDY-33和Texas Instruments C6711、C6713、C6416 DSK，用于對DSP進(jìn)行設(shè)計(jì)、快速原型開發(fā)和發(fā)布。它很好地支持了快速VI（Express VIs）,可以加速開發(fā)速度，能夠?qū)Π蹇ㄉ系哪M及數(shù)字IO進(jìn)行直接存取，并支持圖形編程環(huán)境的調(diào)試。

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??? 另一種方案是FPGA發(fā)布，數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包能根據(jù)定點(diǎn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)生成LabVIEW FPGA代碼，并在LabVIEW FPGA模塊中使用生成的代碼，它利用Xilinx編譯器直接同步位于NI可重配置I/O（RIO）硬件上的FPGA。具有RIO技術(shù)的設(shè)備有著多種外形規(guī)格，包括PCI、PXI以及CompactRIO可編程自動化控制器。LabVIEW FPGA提供了在數(shù)字濾波器應(yīng)用中 對數(shù)字I/O線路和模擬I/O線路的直接訪問。

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??? ANSI-C代碼生成是另一種發(fā)布數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的選擇。LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊利用第三方嵌入式工具鏈和操作系統(tǒng)，能對LabVIEW生成的C代碼進(jìn)行編譯、連接，并下載到任何32位微處理器目標(biāo)中。使用LabVIEW嵌入式模塊，您可以在前面板和程序框圖中交互式地調(diào)試程序，訪問板卡的外圍I/O，使用任何用于嵌入式應(yīng)用的1000個(gè)內(nèi)置數(shù)字處理和信號處理VI。

圖5：LabVIEW DSP、LabVIEW FPGA和LabVIEW嵌入式模塊將圖形化編程的強(qiáng)大功能引入到無限的硬件平臺中

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??? 虛擬儀器是用于測試和測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的可行方法。虛擬儀器思想所采用的獨(dú)特方法可以應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)應(yīng)用和信號處理開發(fā)中，并且實(shí)現(xiàn)在理論設(shè)計(jì)、分析測試與發(fā)布實(shí)現(xiàn)中使用同一工具。

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