基于LabVIEW的均值平滑滤波器的系统设计

的系统设计

机电信息工程学院

通信工程 071班 2007024XXX

XX 2010年5月3日星期日

基于LabVIEW的均值平滑滤波器的系统设计

一、虚拟仪器和LabIVEW技术的介绍：

虚拟仪器（Virtual Instrument，缩写为VI）是基于计算机的仪器，是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）开发的一种图形化的编程语言。图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，使编程简单直观。

虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器，虚拟仪器因此而得名。 虚拟仪器的硬件是电子计算机和为其配之的必要的电子仪器硬件模块。电子计算机与为其配置的电子仪器测试模块通过编制的计算机测试软件结合起来，组成通用的电子测量硬件平台。使用者是通过友好的图形界面（通常是设在电子计算机终端显示屏上图形化的虚拟的菜单式控制机构，这些菜单式的控制机构的图形，通常只占显示屏的一部分，形成了虚拟仪器的虚拟前面板），以点击菜单来调控虚拟仪器的性能，就像在操作自己定义、自已设计的一台电子仪器。田量信号是藉测试软件的调控，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形甚至是多维测试结果模型，显示在电子计算机的终端显承屏上（通常占据着电子计算机终端显示屏的主要幅面）。当然，测试结果也可以直接通过计算机网络传送或记录保存。 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各

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种传感器、信号调理器、模拟数字／转换器（ADC）、数字／模拟转换器（DAC）、数据来集器（DAQ）等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。

LabVIEW的高级软件库具有强大的数据处理能力，包括信号的产生、数据信号处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、数值分析等多种软件分析功能。LabVIEW使用可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。

LabVIEW的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点（ Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影。LabVIEW 支持多种操作系统平台，在任何—个平台上开发的LabVIEW 应用程序可直接移植到其它平台上。

二、虚拟仪器的发展

电子仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代模拟仪器

第一代模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电磁机械式

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的，借助指针来显示最终结果。

第二代数字化仪器

数字化仪器目前相当普及，如数字电压表等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，实用于快速响应和较高准确度的测量。

第三代智能要求

智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

第四代虚拟仪器

虚拟仪器是现代计算机教技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来虚拟产业发展的一个重要方向。

从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品的陆续飞速增

三、虚拟仪器的工作原理

虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图 2.3 所示。

虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。

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PC—DAQ采集串口仪器 GPIB仪器 VXI仪器 PXI仪器 信号处理 数字滤波 统计 分析 网络传输 磁盘复制 文件I/O 图形用户接图3.3 虚拟仪器的功能模块

四、原理介绍：

在无线电通信、非电量及微弱信号检测、电视接收机、自动控制等电路中，所能接收到的信号通常都是很微弱的，且其中还湿杂有无用或有害的信号，这对电路的正常工作将会造成影响。为了消除这种影响，就需要用滤波器，便有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用及有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。用电感器和电容器所组成的滤波器属无源滤波器，具有成本低、电路简单的特点。

常用的图像噪声抑制方法有均值滤波法、中值滤波法、边界保持类平滑滤波等方法。在这些方法中，均值滤波法会将噪声点的颗粒面积变大，而且会将图像的边缘点也同时进行均值处理，这样就会让图像的清晰度降低，画面模糊。

平滑去噪是图象处理中一个重要课题，目前数字图象平滑有很多种方法，其中空域平滑(Spatial Smoothing)是数字图象处理领域比较活跃的一个分支，已经历了几十年的研究探索，目前已有多种算法．空域平滑的基本思想就是用所选邻域中各象素灰度的平均值来替代中心象素的灰度值一 ，但是空域平滑算法有一个共同的不足，就是它们不仅平滑噪声，而且使图象中的细节模糊化．为解决此问题，近年来保边界平滑算法的研究比较活跃．中值滤波 是一种很常用的非线性滤波技术，

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它能够有效抑制脉冲、椒盐噪声(salt—and—pepper)，而且对图象边缘也有较好的保护作用，但它对于图象中一些点线等细节的模糊作用却是不可忽视的．

为此，有人提出了几种改进的中值滤波算法，比如加权中值滤波，多窗El中值滤波(MWMF)。 等．

本文采用的是最简单的均值平滑滤波。均值平滑滤波器可以使比较混乱陡峭的波形变得平滑。顾名思义，均值即求平均值的意思。此滤波器采用在额定时间内进行5次平移，然后将5点的值相加求平均值。

假设平移步长t=100ms，任意一点X经过5个移位寄存器后分别得到X1 、X2 、X3 、X4、 X5 ,5个值。然后将5个值相加：X1 +X2+ X3+X4+ X5，最后求平均值得到

X=（X1 +X2+ X3+X4+ X5）∕5

波形通过此滤波器后，在t=100ms内的毛刺即可滤去，得到一条相对平滑的非线性波形。

五、系统各个组成部分的介绍

1、 移位寄存模块

此模块为5个移位寄存器。此模块实现波形上任意一个点进行5次连续移位，得到幅值相等的5个点。

2、 求均值模块

此模块为一个加法函数和一个除法函数。此模块实现将移位寄存器输出的幅值相等的5个点相加除以5，得到平均值。

3、 显示模块

此模块应用2个波形图标进行波形显示。此模块实现了：波形显示图表1：显示

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滤波前波形；波形图表2：显示滤波后波形，即经过求均值模块后的数。

此模块较好的将滤波前后波形进行了对比。 4、 循环模块

此模块为一个while循环函数。此模块实现将上述三个模块不断循环，得到一个较连贯的波形。 5、循环定时函数模块

此模块应用一个循环定时函数定义循环时间（t=100ms）。

6、 存储模块

此模块能实现将数值存储到excel文件中，方便查阅。

六、系统性能的分析

此程序应用一个随机数发生器模拟一个随机波形（图6.1）。然后让此随机波形通过均值平滑滤波器得到如下波形（图6.2）。

图6.1

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图6.2

令：平移步长t=100ms。

任意一点X经过5个移位寄存器后分别得到X1 、X2 、X3 、X4、 X5 ,5个值。然后将5个值相加：X1 +X2+ X3+X4+ X5，最后求平均值得到

X=（X1 +X2+ X3+X4+ X5）∕5

由于此均值平滑滤波器设计简单，属于第一代平滑滤波器，所以存在很大局限性和大量误差。

七、参考文献

【1】唐良瑞;杨雪;均值滤波器最简单算法[J];电工技术学报;2007年09期 【2】蔡靖,杨晋生,丁润涛;平滑滤波器的发展史[J]中国图象图形学报;2000年01期 【3】赵磊;梁德群;谭伟;;均值滤波器中模糊值的应用 [A];全国第十五届计算机科学与技术应用学术会议论文集[C];2003年

【4】侯国屏，叶齐鑫主编，基于LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京：青华大学出版社，2004

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