电子设计实验

1、电子系统设计与测试设计报告学 号 081601001 姓 名 肖飞 同组人（左文壮） 班 级 电子Q0841 指导教师 田 浩 老师 电子工程系评分页评分项满分值实际值总分设计任务（一）整体思路及效果15前面板设计10框图程序15设计报告10设计任务（二）设计思路10作品实现程度15电路设计15设计报告10作品成绩100设计任务书【设计题目】基于LabVIEW的多功能滤波器设计【设计目的】1.锻炼综合运用知识的能力。通过查阅资料，能独立进行虚拟仪器小系统的设计。2.加深对各种滤波器的认识，并对各滤波器的滤波特性有一个更加全面的了解。【设计指标与要求】功能指标要求：各种数字滤波器频率响应特性，及

2、各种数字滤波器性能比较。 比如：1.可以调节滤波器的高、低频截止频率，选择滤波器类型；2.输入一个公式信号波形（参数可调），可显示滤波前后的信号波形，可对其进行信号频谱等分析。前面板要求： 1.仪器操作均在前面板进行； 2.仪器操作方便，人性化设计； 3.前面板美观大方。后面板要求： 1.设计思路简洁； 2.功能完善，达到设计要求； 3.布线合理，便于查看。【作品提交要求】1.给出前、后面板设计图；2.写出设计思路和控件采用理由；3.写出系统调试测试报告；4.写出设计心得。正文一 关于数字滤波器1.1 数字滤波器概述滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的装置。工程上

3、常将它用于信号处理、数据传送和抑制干扰等。数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它的输入和输出信号都是离散的，与模拟滤波器相比，它具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变，灵活性高等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用2。数字滤波器有多种分类，按频率特性分类可以分为：高通、低通、带通、带阻；按数字滤波器冲激响应的时域特征分类可以分为：有限冲激响应滤波器（finite impulse response, FIR）和无限冲激响应滤波器（infinite impulse response, IIR）。FIR 滤波器的冲击响应h(n) 是有限序列，IIR 滤波器的冲击响应h(n) 是无限序列

4、的。数字滤波器的差分方程可以用下式表示：式中， x(n) 为输入序列， y(n) 为输出序列， k a 、k b 分别为输出、输入序列的系数。数字滤波器对应的传递函数为：当k a 不全为0 时，为IIR 滤波器；当k a 全为0 时，为FIR 滤波器。从性能上看，FIR 滤波器和IIR 滤波器各有优点：FIR 滤波器可以得到严格的线性相位；但是需要较多的存储器和较长的运算，成本比较高，信号延时也较大。IIR 滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，所用存储单元少，运算次数少，效率高的优点；但是相位是非线性的，且选择性越好其相位非线性越严重3。1.2 数字滤波器的传统设计方法数字滤波器的传统设

5、计过程可归纳为以下三个步骤：(1)按照实际需要确定滤波器的性能要求。(2)用一个因果稳定的系统函数(即传递函数)去逼近这个性能要求。此函数可以分为两类：即IIR 传递函数和FIR 传递函数。(3)用一个有限精度的运算去实现这个传递函数。FIR 滤波器设计实质是确定能满足要求的转移序列或脉冲响应的常数，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。目前，FIR 滤波器设计没有封闭的设计公式。虽然窗函数法对窗口函数可给出计算公式，但计算通带与阻带衰减仍无计算公式。FIR 滤波器的设计只有计算程序可循，因此对计算工具要求较高，不用计算机编程一般很难实现。IIR 滤波器的设计源于模拟滤波器设

6、计，它通过对低通滤波器进行模拟频率变换得到。常用的IIR 滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。目前，IIR 滤波器的设计可以借助模拟滤波器的成果，有封闭形式的设计公式，对计算工具的要求不高。IIR 滤波器的设计虽然简单，但脱离不了模拟滤波器的设计模式，主要用于设计低通、高通、带通及带阻滤波器。而FIR 滤波器的设计要灵活得多，尤其是频率采样设计法更易适应各种幅度特性和相位特性的要求。1.3 基于LabVIEW 的数字滤波器设计1）LabVIEW 简介LabVIEW 是NI（National Instrument，美国国家仪器）公司推出的一种基于G

7、语言的虚拟仪器（virtual instrument，VI）开发工具。LabVIEW 编程使用图形化语言，它是非计算机专业人员使用的工具，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，因此，LabVIEW 在世界范围内的众多领域如航空、航天、通信、电力、汽车、化学等领域得到广泛应用4。LabVIEW 有两个基本窗口：前面板窗口和流程图窗口。编译环境下显示两个窗口，前面板用于放置控制对象和显示对象，控制对象相当于常规仪器的控制和调节按钮；前面板用于显示程序运行结果，相当于常规仪器的显示屏幕或指针。流程图窗口用于编写和显示程序的图形源代码，它相当于语言编程中一行行的语句，它由各种能完成一定功能的模块通

8、过连线连接而成。当编写的LabVIEW 程序调试无误后，可将程序编译成应用程序（EXE 文件）。此时，设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW 开发环境，用户只需通过前面板进行控制和观测。2 ）LabVIEW 中的数字滤波器利用文本软件设计实现的滤波器在使用过程中往往出现难以调整波形系数，与硬件接口程序复杂，开发周期长等问题。而使用LabVIEW 设计的滤波器不仅设计简单，而且使用起来要比利用文本文件实现的滤波器方便得多。LabVIEW 为设计者提供了FIR 和IIR 滤波器VI，使用起来非常方便，只需要输入相应的指标参数即可，不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。滤波器VI 位于LabVIEW

9、流程图面板的Function>>Analyze>>Signal Processing>>Filters 上。不同滤波器VI 滤波时均有各自的特点，因此它们用途各异。在利用LabVIEW 实现滤波功能时，选择合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可参照不同滤波器的特点，考虑滤波的实际要求来选择合适的滤波器5。各种滤波器的特点及选择滤波器的步骤见图1。图1 滤波器选择步骤二 设计原理与方案2.1 信号输入部分：方案一：直接采用波形生成或信号生成中的正弦信号及噪声信号组成输入信号。方案二：采用的是波形生成中的公式波形，然后加入波形生成中的高斯白噪声。但在两信号相加后

10、输出频谱时连不上。因为输入的是二维数组，要加一个转至动态数据的控件，转化为单一波形。亦可采用信号生成中的高斯白噪声。方案三：采用公式信号产生输入信号。因为要求中是输入一个公式信号波形（参数可调），并且每种方案我都试过，方案三简单些。因此采用方案三。2.2 滤波器部分：方案一：采用波形调理中的数字IIR滤波器和数字FIR滤波器进行滤波。方案二：采用滤波器中的单个IIR滤波器和FIR滤波器逐次进行滤波。因为方案一滤波参数设置经常遇到问题，因此采用用方案二。2.3 显示部分:开始显示了幅度谱和相位谱,观察发现相位谱很乱,便舍弃了只用了幅度谱.三 模块设计3.1 信号输入模块的设计采用公式信号波形，公

11、式通过字符串编辑不同的公式以便采用。幅值固定。频率参数设置FS2F，而采样点数N也不宜过大。3.2 滤波器的选用采用了滤波器中的巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，椭圆滤波器，贝塞尔滤波器，加窗FIR滤波器。3.3 滤波环节的设计采用选择结构逐个用不同的滤波器进行滤波。滤波参数设置采用簇对其进行控制。0<FL<FH<FS.3.4 显示模块的设计采用波形图显示滤波前后的波形及其频谱。开始采用的是波形图表，因为波形图表会保留来源于此前更新的历史数据，因此图形越来越密，不易观察。频谱只采用傅里叶变换显示了幅度谱。四 总体及调试由于滤波器对信号的分析要求循环进行，而整个过程都希望是认为控

12、制的，因此框图程序里采用了一个While循环结构。所设计的滤波器可以进行IIR和FIR两种滤波方式，并且要实现滤波器的选择，因此采用了一个实现滤波器的选择，选用了滤波器及滤波方式的枚举。为了验证所设计滤波器的滤波效果，将混有噪声的正弦信号经IIR 滤波器滤波，IIR 滤波器选择BUTTERWORTH 带通滤波方式，滤波器的参数设置为：fl=0.125Hz,fh=0.45Hz,采样频率 fs=1s。滤波后噪声得到了有效抑制，滤波效果良好。以IIR 数字滤波器中的几种模拟滤波器原型而言，Butterworth型IIR 滤波器具有单调下降的幅频特性；Chebyshev 型幅频特性在通带或者在阻带有波

13、动，可以提高选择性；而Ellipse 其选择性相对前三种是最好的。譬如（1）对于公式sin(w*t)+sin(2*w*t) 1.加窗FIR 窗：矩形 低通 波形图如下：加窗FIR 窗：矩形 高通 波形图如下：其中高通、低通、带通、带阻可以自由选择。2.IIR 椭圆滤波器 阶数 4 低通 波形如下：IIR 贝塞尔滤波器 阶数 4 低通 波形如下：在IIR中可以选择多种滤波器功能，如切比雪夫、巴特沃斯等。（2）对于公式sin(w*t)+rand(10)1.FIR滤波器 矩形窗 低通2.IIR 椭圆滤波器 阶数 4 低通 波形如下：后面板的程序图五 设计心得通过这次实验，在调试的过程中我巩固了学过了

14、的滤波器知识，进一步学会了部分数组，簇，傅里叶变换的用法，同时锻炼了实验设计的思维。在某些问题上，与同学进行某些讨论，更加使得自己对于实验设计的认识加深。比如：对于噪声的问题上，很多同学利用噪声发生器来提供噪声。但噪声的随机性比较大，不利于波形的观察与对比。于是在最后我们组果断的省去了这个，而是利用公式提供一个具体的噪声，不仅便于观察，而且对于高通、低通的分析比较清晰。对于波形的刻度归一化问题上，我们组经过调式，发现它与缩放因子有关，只要适当的倍数增加就可以使得，刻度相同。光理论性的东西是很肤浅的，实践才是最好的验证。设计任务书（二）【设计题目】红外语音介绍机设计【设计目的】1.锻炼综合运用知

15、识的能力。通过查阅资料，能独立进行电子小系统的设计。2.进一步锻炼电子技术的综合设计能力，并对单片机技术有一个更加全面的了解。【设计指标与要求】利用SPCE061A 或者51单片机设计一个红外语音介绍机。当顾客停留在介绍机前时，介绍机自动用语音对某个物品能进行详细介绍。介绍语音能在10秒以上，并且可以随时更改重录，录入的语音可以永久保存在芯片中，不会因为断电原因而丢失。要求：1.使用红外传感器元件； 2.使用SPCE061A 或者51单片机； 3.电路简单实用。【作品提交要求】1.写出详细设计方案和设计电路图；2.写出系统调试测试报告； 3.写出设计总结。1、 概述11 设计背景和意义随着社会

16、的发展，科技的进步，越来越多的电子产品智能化，这给我们生活和工作带来了很大的方便。智能化的电子产品在商业中的应用也很广泛，最常见的是各大商店的自动语音介绍机，它不仅给各大店主带来了方便，还减轻了人力资源的利用，所以在科技化的今天我们对红外语音介绍机的设计也变得有必要，这也可以增强我们学生的动手能力1.2设计目的1.、锻炼综合运用知识的能力。通过查阅资料，能独立进行电子小系统的设计。2.、进一步锻炼电子技术的综合设计能力，并对单片机技术有一个更加全面的了解。1.3设计指标与要求利用SPCE061A 或者51单片机设计一个红外语音介绍机。当顾客停留在介绍机前时，介绍机自动用语音对某个物品能进行详细

17、介绍。介绍语音能在10秒以上，并且可以随时更改重录，录入的语音可以永久保存在芯片中，不会因为断电原因而丢失。要求：1、使用红外传感器元件； 2、使用SPCE061A 或者51单片机； 3、电路简单实用。2、设计方案及模块介绍2.1整体思路当顾客所辐射的红外线在热释电红外传感器的探测元上感应停留三秒以上时，热释电红外传感器将输出电压信号，然后经信号放大电路放大后送入红外传感信号处理器，经处理后向单片机输出高电平。由单片机控制语音芯片放音介绍商品。介绍语音在10秒以上。系统主要由红外采集模块，信号处理模块，录音模块、录音存储模块、语音介绍模块、电源模块组成。是系统初始化红外信号检测录音模块存储录音

18、模块是否停留3S以上开始语音介绍延时10S以上结束否2.2模块介绍 红外采集模块：红外检测电路的功能是由热释电红外探头P288 来实现。它将数据采集、A/D 转换、比较判断等功能集成于一体。 信号处理模块：由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV 左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.110Hz 左右），所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大。放大后的信号在送入单片机处理控制之前，采用专用红外传感信号处理器BIS001 进行预处理，以供单片机使用。 录音模块：系统采用脱机工作

19、模式下的语音录放系统。语音录放通过SPCE061A开发板上的设置按键实现。同时，系统可以实现USB的基本功能：通过USB设备将存储芯片中的语音文件上传到PC机中，通过软件将语音文件转换成WAV文件，并在PC机中播放出来；也可以通过USB设备将PC机中的语音文件下载到存储器模组中，通过按键选择播放。基于单片机的语音录入和播放系统组成如图1所示。系统机构中语音录音部分是把语音声波信号经过话筒和放大器转换成具有一定幅度的模拟电信号，再转换成计算机能够存贮、处理的数字量信号。系统语音播放是将存储器中存储的语音数据顺序取出，通过MCU进行DA转换输出，经过电容滤波后，恢复原始语音波形，通过驱动扬声器放音

20、。系统中对于语音信号的离散处理是将模拟(连续)的声音波形数字元化(离散化)，便于数字计算机进行处理。而数字音频的处理主要包括采样和量化两个部分。由于系统采用自带AD、DA电路单片机SPCE061A实现模拟信号与数字信号之间的相互转换，所以开发的主要工作放在语音录入和播放系统程序设计、单片机与存储器模组连接和功能实现以及单片机与USB模组的连接和功能实现。3.硬件部分3.1电路图（如下）BIS0001红外传感器信号处理器的原理框图。外界元件由使用者根据需要选择。由图可见BISS0001是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。

21、可广泛应用于多种传感器和延时控制器。各引脚的定义和功能如下：n VDD工作电源正端。范围为35V。n Vss工作电源负端。一般接0V。n IB运算放大器偏置电流设置端。经RB接VSS端，RB取值为1M左右。n 1IN-第一级运放放大器的反相输入端。n 1IN+第一级运放放大器的同相输入端。n 1OUT第一级运算放大器的输出端。n 2IN-第二级运算放大器的反相输出端。n 2OUT第二级运算放大器的输出端。n Vc触发禁止端。当VcVR时禁止触发；当VCVR时允许触发。VR0.2VDD。n VRF参考电压及复位输入端。一般接VDD。接“0”时可使定时器复位。可重复触发和不可重复触发控制端。当A=

22、“1”时，允许重复触发，当A=“0”时，不可重复触发。Vo控制信号输出端。由Vs上跳边沿触发使Vo从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延时间Tx之外和无Vs上跳变时Vo为低电平状态。RR1RC1输出延迟时间Tx的调节端。Tx49152R1C1。RR2RC2触发封销时间Ti的调节端。Tx24R2C2。BISS0001芯片的2脚接输出，调试面包板上的电路，当人走近在红外感应范围内是2脚输出为高电平，当人离开时2脚变为低电平3.2单片机连接 将喇叭电池和SPCE061A单片机连接好，利用下载线将程序下载到单片机内部，然后开始录音，K1开始录音，K3停止录音，K2播放录音，录音做好后将单片机和面包

23、板上的电路连接起来，BISS0001芯片的2号脚输出接到单片机b1，调试整个电路。4软件部分C程序：软件部分参考单片机光盘程序在加一个延时程序/=/ The information contained herein is the exclusive property of/ Sunnnorth Technology Co. And shall not be distributed, reproduced,/ or disclosed in whole in part without prior written permission./ (C) COPYRIGHT 2003 SUNNORTH T

24、ECHNOLOGY CO./ ALL RIGHTS RESERVED/ The entire notice above must be reproduced on all authorized copies./=/=/ 工程名称：61_Record/ 功能描述：61板程序示例-简易复读机/使用61板上的三个按键控制录放音，约可录制20秒的声音/Key1 - 录音/Key2 - 播放录音/Key3 - 停止录/放音/ 涉及的库：CMacro1016.lib/ SacmV26e.lib/ 组成文件：main.c/Flash.asm, hardware.asm, ISR.asm, Key.asm,

25、sram.asm/Flash.h, DVR.h, Key.h, SPCE061A.h, DVR.inc, Key.inc, SPCE061A.inc/硬件连接：61板自带的三个按键已经连接在IOA0IOA2上/维护记录：2006-8-30 v1.0/=/=/ 文件名称：main.c/ 功能描述：主程序以及录音、放音子程序/ 维护记录：2006-08-30v1.0/=#include "spce061a.h"#include "Flash.h"#include "DVR.h"#include "Key.h"#defi

26、ne START_ADDR0xA000/ 定义录音起始地址#define END_ADDR0xFBFF/ 定义录音结束地址#define P_IOB_Data (volatile unsigned int *)0x7005 /定义P_IOB_Data指针，使其指向0x7005的地址单元#define P_IOB_Buffer (volatile unsigned int *)0x7006 /定义P_IOB_Buffer指针，使其指向0x7006的地址单元#define P_IOB_Dir (volatile unsigned int *)0x7007 /定义P_IOB_Dir指针，使其指向0x

27、7007的地址单元#define P_IOB_Attrib (volatile unsigned int *)0x7008 /定义P_IOB_Attrib指针，使其指向0x7008的地址单元/=/ 语法格式：void PlayRecord(void);/ 实现功能：播放录音/ 参数：无/ 返回值：无/=void PlayRecord()unsigned long Addr,EndAddr;unsigned int Ret;SACM_DVR_Initial(0);/ 初始化放音SACM_DVR_InitQueue();/ 初始化解码队列SACM_DVR_InitDecoder(3);/ 初始化解

28、码算法，声音由DAC1和DAC2输出Addr = START_ADDR + 1;EndAddr = Flash_ReadWord(START_ADDR);/ 从录音首地址中读出录音结束地址while(1)*P_Watchdog_Clear = 0x01;/ 清看门狗while(SACM_DVR_TestQueue()!=1)/ 如果解码队列未满Ret = Flash_ReadWord(Addr);/ 取录音数据SACM_DVR_FillQueue(Ret);/ 填充入解码队列 Addr+;if(Addr > EndAddr) break; if(SACM_DVR_Status()&

29、;0x01)=0 | Key_Get()=KEY_3)/ 如果播放完毕或Key3键按下则停止 SACM_DVR_Stop();/ 停止播放 break; else SACM_DVR_Decoder();/ 数据解码/=/ 语法格式：void Record(void);/ 实现功能：录制声音/ 参数：无/ 返回值：无/=void Record(void)unsigned int Addr;unsigned int Ret;for(Addr=START_ADDR;Addr<=END_ADDR;Addr+=0x0100)Flash_Erase(Addr);/ 擦除录音所需Flash空间*P_W

30、atchdog_Clear = 0x01;SACM_DVR_Initial(0);/ 初始化录放音SACM_DVR_InitQueue();/ 初始化编码队列SACM_DVR_InitEncoder(0,0);/ 初始化编码算法Addr = START_ADDR + 1;/ 第一个单元用于保存录音结束地址while(1)/ 录音循环*P_Watchdog_Clear = 0x01;/ 清看门狗SACM_DVR_Encoder();/ 对AD采集到的数据编码if(SACM_DVR_TestQueue()!=2)/ 如果编码队列不为空Ret = SACM_DVR_FetchQueue();/ 从编

31、码队列中取数据Flash_WriteWord(Addr, Ret);/ 将数据写入flash Addr += 1;if(Addr>END_ADDR | Key_Get()=KEY_3)/ 如果到达尾地址或Key3键按下则结束录音Flash_WriteWord(START_ADDR, Addr-1);/ 录音结束地址保存在START_ADDR中SACM_DVR_Stop();/ 停止录音break;if(Addr > END_ADDR)/ 如果是空间被录满导致的录音结束则播放录音PlayRecord();void init()*P_IOB_Data = 0x0000; /设置IOA0

32、IOA15端口为带下拉的低电平输入*P_IOB_Dir = 0x0000;*P_IOB_Attrib = 0x0000;void delay(unsigned int a)unsigned int i,j; for(j=0x0000;j<0xffff;j+) for(i=0x0000;i<a;i+) *P_Watchdog_Clear = 0x0001; /请看门狗 /i = 0x0000; /=/ 语法格式：int main(void);/ 实现功能：主函数/ 参数：无/ 返回值：无/=int main()unsigned int KeyCode;init();Key_Init();/ 初始化按键扫描程序while(1)KeyCode = Key_Get();