信号采集数字滤波课程设计报告

1、信号采集数字滤波课程设计报告5100809149 熊俊峰 5100809147 李亚东1 ad采集卡设计1.1设计任务用proteus设计基于8051或arm系统的釆集系统，三种采样率(250hz, 1khz, 2khz采样率，12 bit a/d, 一个d/a输出1.2设计要求(1) .a/d时序控制(2) .自定义a/d数据釆集存放起始地址，数据循环存储.自定义d/a输出地址，送存储的数据再通过d/a转换，送示波器显示1.3设计图图1电路原理图14程序设计main:图2系统软件框图org0000hljmpmainorgooobhljmp adcorg0100h；计吋器溢位中断clrpl.l

2、setbpl.6clrp3.0clrb.o；配置adcmovsp,#60hmovdptr,#oooohmovtmod,#01h；配置丁0:对于to计数器采用模式setbpl.7；将1.7置1,为后续dac做准备setbetosetbeasetbtro；配置屮断sjmp$1计数，以产生采样频率adc:jnbp13f25o；通过检测三口的状态选择不同计数初值对应不同中断周期jnbp1.4,f1kjnbp1.5,f2kf250:movtho,#ofohmovtl0,#060 h；改变计数初值sjmpnextf1k:movtho,#ofchmovtl0z#018hsjmpnextf2k:movtho,

3、#ofehmovtlo,#oochnext:clr aclr pl.2;conv 0->lsetbpl.l；sck 0->l开始转换movc,p1.0；把数字信号bll给accmovacc.7,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0；把数字信号bio给accmovacc.6,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0；把数字信号b9给accmovacc.5,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b8给accmovacc.4,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b7给accmovacc.3,

4、cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b6给accmovacc.2,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b5给accmovacc.1,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b4给accmovacc.o,cclrpl.lmovr0,a;把高8位数据存放于r0中setbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b3给accmovacc.3,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b2给accmovacc.2,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,p1.0;把数字信号b1给a

5、ccmovacc.1,cclrpl.lnopsetbpl.lmovc,pi.o;把数字信号b0给accmovacc.o,cclrsetbpl.lpl.2;sck=o；conv=0模数转换结束setbmovx dptr,aacall dacp3.0；将低4位数据放于ram中同时锁存在u6 'p；调用子函数实现数模转换incdptrmovr5,dphcjner5,#20h,conmovdptr,#ooooh;检测ram是否已满，若己存满，则从头开始将原來数据覆盖clrp3.0mova,ro；将高8位数据放于ram中同时锁存在u5中movx dptr,a;；调用子函数实现数模转换acalld

6、acincdptrjnbp1.3,f250b；再次设置计数器初值，实现运行中频率可调jnbp1.4,f1kbjnbp1.5,f2kbmovtho,#ofohmovtl0,#060hsjmp a1bmovtho,#ofchmovtl0,#018hsjmp a1bmovtho,#ofehmovtlo,#oochnopreticon:f25ob:f1kb:f2kb:a1b:clrpl.6；数摸转换，开启芯片使能nopnopnopdac:pl.6setbcplp1.7retend15仿真结果图4所示为输入频率为10h乙 釆样频率为250hz时输出波形，其中红色为da直接输岀，绿色为低通滤波后输出波形。

7、图4 250hz采样cliannel cdigital oscilloscope图5所示为输入频率为10hz,采样频率为looohz时输出波形，其屮红色为da直接输出，绿色为低通 滤波后输出波形。cliannel dchannel b140焰100环 1 1卜1 " |v |05图5 1000hz采样图6所示为输入频率为10hz,采样频率为2000hz时输出波形，其中红色为da直接输出，绿色为低通 滤波后输出波形。digital oscilloscopeclhiniielcchannel b channel d图6 2000hz采样图7所示为程序运行时外扩ram中存储状态。8051

8、cpu registers u2pc instruction 0138 sjmp 013bacc b dptr sp ca-rso-p bl 00 0418 60 00000000ro r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 bl 00 00 00 00 00 00 00po pl p2 p3 scon sbufff fd ff fe 0000tmro fe12twr1 0000tmod01tcon10pcon00p oi oe 2i 8tmr2 tcon rcap oooo 0000000390 03a0 03b0 o3c0 03d0 03e0 03f0 0400 0410 0420 04

9、30 0440 0450 0460 0470 0480ogf2a-886> 0000000 fesaefbs90000000 bd374d2450000000 fes9efc890000000 fc1fg5a 3s 0000000 fbs9efc5900000008s02c981d0000000fesaefesaooooooo4bocoe 0 80000000 fasafc48a0000000 3-fi 0 5 3 2 60000000 fasaffasaooooooo04f82838c0000000 e a 3 b f e a s £0000000e9e6d9dc95花969

10、287828085b5bcc7c9f4fcf0ffebedcdf989c9b94*818c840000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000eea260雷ef4580b10000oooooooogeoooooooo c s 9 d c' cssoooooooo 44 35768 600000000 cs9dfc8soooooooo c c - f d a o o o o o o o o dssdfdssoooooooo f30ff23a-00000000 dssdfdssoooooooo图7外扩ram存储

11、数据情况16遇到的问题及解决方法由于嵌入式的知识遗忘较多，本次设计借鉴了李宗霖小组的成果，在此表示感谢。遇到的最大的问题是在程序储存数据吋，12位的数据重叠存放。我自己也没有发现原因。最后在邱老 师的耐心指导下，我们一步一步地调试程序，终于发现了问题所在：dptr的控制少加了一次，导致12位 数据部分重叠存放。在添加了一句指令以后，程序完美运行。2 matlab数字信号处理2.1数字滤波器简介数字滤波器（df）在数字信号处理中起着重要的作用。在信号过滤、检测与参数的估计等方面，数字 滤波器是使用最为广泛的一种线性系统。由于信号往往夹杂噪声等无用信号成分，所以必须将这些干扰成 分滤除。滤波器可以

12、对信号进行筛选，只让特定频段的信号通过。一般而言，噪声信号往往是高频信号。 而经典滤波器正是假定有用信号与噪声信号具有不同的频段，所以利用经典的滤波器可以将噪声滤除。但 如果有用信号与无用信号，或有用信号与噪声的频谱互相重叠，那么利用经典滤波器只能望洋兴叹。现代 滤波器的作用是从含有噪声的数据记录中估计出信号的某些特征或信号本身，一旦信号被估计出，那么估 计出来的信号与原信号相比会有更高的信噪比。这些滤波器主要有维纳滤波器、卡尔曼滤器、线性预测滤 波器，以及自适应滤波器等。22滤波器的分类总的来说，滤波器对分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。2.2.1经典滤波器经典滤波器从功能上可分为四种，

13、即低通(lp)、高通(hp)、带通(sp)和带阻(bs)滤波器，每一 种又有模拟滤波器(af)和数字滤波器(df)两种形式。实际工程中，不可能达到理想的情况，所以设计 的滤波器都是在某些准则下对理想滤波器的近似，但这保证了滤波器的无物理可实现性和稳定性。数字滤波器：数字滤波器按照单位取样响应h(n)的时域特性可分为无限脉冲响应(hr, infinite impulse response)和有限 脉冲响应(fir, finite impulse response )系统。如果单位取样响应是吋宽无限的，则称之为iir系统；而如 果单位収样响应是时宽有限的，则称之为fir系统。数字滤波器按照实现的方

14、法和结构形式分为递归型或非递归型两类。递归型数字滤波器的当前输出y(n) 是输入x(n)的当前值和以前各输入值x(n-l), x(n2),，及以前各输出值y(n-l), y(n-2),的函数。一个n阶递归型数字滤波器(iir滤波器)的差分方程为：js)=工勺一，) 一 工 a门/=0 /=!系统传递函数为:-个n阶非递归型数字滤波器(fir滤波器)的差分方程为:jv-1jv-iy(n) = h(k)x(n-k) =hkx(n-k)jt=ojt=o系统传递函数为:2.2.2现代滤波器现代滤波器理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录小估计出信号的某些特征或信号本身。一旦信号 被估计出，那么估计出

15、的信号与原信号相比会有高的信噪比。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号， 利用它们的统计特征(如自相关函数、功率谱等)推导出一套最佳的估值方法，然后用硬件或软件予以实 现。维纳滤波器是这一类滤波器的典型代表。此外还有卡尔曼滤波器、线性预测滤波器、口适应滤波器等。2.3滤波器的技术要求2.3.1滤波器的截至频率(1) 低通滤波器的截至频率主要包括通带截止频率3 p (又称通带上限频率)和阻带下限截止频率3|。(2) 高通滤波器的截至频率主要包括通带截止频率3 p (下限频率)和阻带上限截止频率3h。(3) 带通滤波器的截至频率主要包括通带下限截止频率3 i,通带上限截止频率3 h,下阻带截止频率

16、3 si,以及上阻带截止频率3sh。(4) 带阻滤波器的截至频率与带通滤波器一致，也主要包括通带下限截止频率3 i,通带上限截止频率3 h,下阻带截止频率3 si,以及上阻带截止频率3sh。2.3.2采样频率由于在数字滤波器的设计中3是用弧度表示的，而实际上给出的频率要求往往是实际频率f,单位为 hz,因此在数字滤波器的设计中还应给出采样频率fao根据奈奎斯特采样定律，要能够使原始信号不失真 地被反映出来，采样频率至少为信号最大频率的两倍，否则不能再现原始波形。2.4滤波器设计2.4.1 iir数字滤波器hr数字滤波器设计最主要的方法是借助模拟滤波器原型，再将模拟滤波器转换成数字滤波器。mat

17、lab信号工具箱提供了儿个直接设计iir数字滤波器的函数，直接调用这些函 数就可以很方便地对滤波器进行设计。设计步骤如下：1、给出滤波器的各类技术参数；2、根据转换后的技术指标使用滤波器阶数选择函数，确定最小阶数和截止频率wn；3、给出自定义阶数，与最小阶数比较后选择较大的作为阶数；4、运用阶数、截止频率wn釆用不同的滤波器函数得到滤波器系统函数公式计算。这里我们选取了 butterworth> chebyshev i > chebyshevii > ellipse 四种方式进行设计。2.4.2 fir数字滤波器fir数字滤波器采用基于窗函数的设计方法，跟iir数字滤波器的设

18、计一样，matlab信号工具箱同样提供了儿个直接设计fir数字滤波器的函数，直接调用这些函数就可以很方便地对滤波器进行设计。设计步骤如下：1、给出滤波器的阶数和各类等技术参数；2、选择相应的窗函数(switch val4)；3、用公式通过wl, w2计算得到wn,通过相应函数计算得到滤波后函数。这里我们选择 hammingx hanning kaiser、chebwin、triang> boxcarbartlett、blackman 8 种窗函 数。其中,wn截止频率,nr最小阶数,filtertype滤波器类型,可选highpass、lowpass> bandpass、 band

19、stop等，m, l滤波器系统函数分子和分母系数。2.5软件设计2.5.1软件界面 h u由刁0 | $国齣蛹匂画時a2.5.2软件功能1>实现iir与fir滤波器基本功能，可读取并处理简单的txt文件2、加入报错功能3、界面友好，操作简单，在选择不同滤波器时能屏蔽不需要的参数设置框4、对于fir和iir均提供了多种滤波函数供选，可以对滤波结果做较好的比较2.5.3 matlab 程序见firm i件2.6实验结果2.6.1 iir滤波部分低通：叫-一動显示输入信号信号1100hz1mv分离显示信号2hz250.2mv混台显示信号3-hz0.3mv04采样須率250hz滤波器设苴遽液零类

20、墜和踰妙参敎设5s类型 lp©ft.o自定义盼教10wp 30hz41801 50.3020 1幅频特性0.80.600402150°0150财域150_100频邮点咼通:m filter输入信号信号 1100hz1mv信号2信号310hz0.3mv分海显示焜合显不采样频率加敦文件08250hz滤波器设置滤波器类翌迭择 hr butterworth 一 fir hammingg連波器类型初除披类型 hp最。自定义除数 10wp 40 | _ | 41 | hzws3t c hzrp 0.5 dbrs 40 db002040608 10.60.20oc10.50-0.50.4

21、-10real part1时域带通:q filter循入信号信号彳100信号2hzmv分离显示信号3hzhz0.2 mv03混台显示采样频率250 hz04滤波器设置o iirbutterworth020020400.204060.80.15| 0.10 051080.60402002ll丿50100鏑壤输野150進波器类醛和盼数类型 bp斌。自定义除教 10参藪设董wp 20-41 hzws 15rp 0 5rs 40hz1.5i-50100频融）点1500 4 red 巴 b.e6be-1 0real part5 0 52.6.2 fir滤波部分低通:bl filter加显示-输入信号信号

22、1100hz1mv分海显示信号2hz02mv信号310hz03mv澀合显不采样频率250g0.6 0.8港波器输出-滤液器设置-進波器类型送择hr birtterv/crth。fir blackmand20.40.806020幅频特性0.30.2£类翌lp*wpl 10- | 50 | hz除数ws 1580 hz:j最rp 0.5 db。自定义曲敎10rs 40 db10050高通:频域时诫0123real partx 1产目输入信号信号1信e2信号3采祥频率250hz50100频辑揭点150带通:示2揄入信号10采样频率加栽文件信号1信号2信号3ea_100hz1mv分需显示25

23、hz0-2mv温合显示10hz0.3mv25050100150510real partx1014滤波器设置遽液器类型迭择iir butterwonh進虢器类型和盼数类型 bpwp 2050 hz畝数i!1jws| 15 | - lo hzft.rp 0.5 db。自定义盼数10rs 40 db° fir blackman040.60 8滤波器输出2550 二 100150频轉徳点20105 o o040 60 8aleu'acolu-510real part_ 4ais27不同滤波类型的比较2.7.1 iir 与 fir这两类滤波器无论是在性能上还是在设计方法上都有着很大的区

24、别。fir滤波器可以对给定的频率特性 直接进行设计，而iir滤波器目前最通用的方法是利用己经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计，而 模拟滤波器的设计方法又有巴特沃斯滤波器(butterworth).切比雪夫(chebyshev i)型(或ii型)滤波 器、椭圆滤波器等不同的设计方法。hr数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相兀配，所以hr滤波器的设计可以采取在模拟滤波 器设计的基础上进一步变换的方法。其设计方法主要有经典设计法、直接设计法和最大平滑滤波器设计法。fir数字滤波器的单位脉冲响应是有限长序列。它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或 脉冲响应的常数问题，设计方法

25、主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。2.7.2 iir不同类型(1) butterworth巴特沃斯滤波器拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外，频率响应单调下降。在通带中是理想的单 位响应，在阻带屮响应为0。在截断频率处有3db的衰减。巴特沃斯滤波器除了具有平滑单调递减的频率响 应的优点之外，英过渡带的陡峭程度正比于滤波器的阶数。高阶巴特沃斯滤波器的频率响应近似于理想低 通滤波器。巴特沃斯滤波器的频率特性在通带和阻带内部都是随着频率的单调变化的，如果在通带的边缘 能够满足指标，那么在通带的内部会超过设计的指标要求，造成滤波器的阶次n比较高。如果指标的精度 要求均匀地分布在整个通带内，或者均匀地分布在阻带内，更有效的方法是同时均匀地分布在通带和阻带 内，可以设计出满足设计要求，