LabVIEW计数滤波器在信号降噪中的应用

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。

NI 公司在M 系列测试设备对Counter Filters 功能的应用上提供了三项可选滤波脉冲宽 度的选择，相应的配置参数见表1。滤波脉宽的选择是影响计数频率滤波器滤波效果的关键， 脉宽太小，部分干扰信号不能与数字信号分离;太大将会使高频数字信号失真，所以应用中 应根据实际现场情况，选择适当的滤波脉宽。

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。

(1)创建一个虚拟频率输入通道和一个计数沿任务;

(2)建立计数器的输入端并在输入端上创建对数字信号进行滤波的控制程序模块。All

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

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

(3)调用DAQmx Start Task.vi 启动数据采集功能;

(4)通过设定的Counter DBL 1Chan 1Samp 模式在While Loop 循环中读取波形数据直至操

作者按下停止按钮或有错误产生时停止;

(5)设有弹出对话框提示清除错误信息及旧任务等功能。

在运行计数滤波器LabVIEW 程序对尖峰干扰信号进行滤波前，首先在脉冲宽度设定栏 输入所选的预置滤波脉宽值,其次在通道设定栏输入选定的虚拟通道号，然后按下滤波矢能 按钮，再启动整个程序进入滤波状态。相关硬件设备运转正常，执行滤波器程序，即可得到 基本理想的频率波形。

3 实验测试系统

3.1测试系统组成

该测试系统应用于伺服电机同步/协调控制器的设计开发与性能测试上，由载荷模拟实 验台架、传感器和数据采集卡及实时采样监测软件组成。

(1)载荷模拟实验台架

实验台架上安装有伺服电机、磁粉制动器、惯量盘、传感器等。为使测试系统实验台架 工作稳定、结构紧凑、便于操作，台架的机械结构经过精心设计，将一级主轴与二级主轴成 对角线平行布置，且每轴均采用同步齿形带进行多级传动。伺服电机输出轴上安装有扭矩传 感器和高精度编码器，用于扭矩和位置信号的采集。通过扭矩传感器测量轴上产生的转矩脉 冲信号，输入到数据采集卡，采集到的数据通过LabVIEW 处理，如对频率信号进行计数器 滤波等，得出测试结果。

(2)实时监测软件为工业控制计算机内编写的专用测试软件，可采集位置、速度、转矩等 系统的运行状态信号，并保证多路数据的同步性。

3.2 扭矩信号采集

LabVIEW 计数滤波器应用于上述系统中由扭矩传感器输出的方波信号的噪声滤除中。 根据项目要求，实验中关键硬件设备选择如下：

(1) 扭矩传感器：选用北京三晶的JN338-A100，转矩准确度>0.5%，过载能力150%F·S， 测量范围10-100Nm，零转矩频率输出10KHz，正向转矩满量程频率输出15KHz，反向转矩 满量程频率输出5KHz。该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信 号的输出，能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩;输出信号以频率形式给出。

(2) 数据采集卡：选用NI 公司M 系列多功能数据采集卡PCI-6221，16 路模拟量输入，速 率250kS/s,16bit 的分辨率;24 路数字量输入/输出;2 路模拟量输出，16bit 的分辨率;32 位计数器，数字触发;附带DAQmx 驱动。完全满足转矩测量和磁粉制动器的控制需求。

4 降噪效果验证实验

测试系统运作过程：伺服驱动器收到上位机指令驱动伺服电机运转，与电机轴相连的扭 矩传感器工作，输出5KH-15KH 脉冲信号，该信号经过“光隔”后输入数据采集卡PCI-6221 进入工业控制计算机内的数据处理系统。通过在LabVIEW 中创建的虚拟通道对数字信号进 行数据采集、处理。

实验步骤及降噪效果：

(1) 采集未应用计数滤波器时得到信号波形。 未应用计数滤波器时得到的工程现场采集到的信号波形如图3 所示，零扭矩时频率为 10KHZ，但信号中存在很多远远超出最大量程的噪声干扰。

(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。