一種大型吊裝設備故障分析信號FIR濾波器設計方法研究

喬俊松　李琪　陳誠

摘要：在大型吊裝設備工作時，需要采集設備的振動信號和電機轉速信號作為故障診斷的數(shù)據(jù)來源，但由于不同電機轉速下混入的高頻噪聲信號頻率不相同，導致傳統(tǒng)低通濾波器無法得到信噪比較高的信號，對故障診斷準確率造成影響，急需設計可靈活修改各種參數(shù)的低通濾波器。使用MATLAB設計了FIR數(shù)字低通濾波器，而后使用QuartusⅡ軟件在FPGA上實現(xiàn)該濾波器。使用Modelsim軟件對FIR濾波器進行波形仿真，并把數(shù)據(jù)導出至MATLAB分析。結果表明，所設計的FIR低通濾波器具有良好的濾波效果，滿足了預期的設計要求，也可方便修改各種濾波參數(shù)，達到了預期的設計目的。

關鍵詞：低通濾波;FIR數(shù)字濾波器;FPGA;MATLAB

中圖分類號：TU745

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.001

1 引言

軍事裝備中常用各種大型吊裝設備來完成武器裝備的吊裝和安放，設備的工作運行狀態(tài)需要實時監(jiān)控，通過狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷預判提高識別問題的概率，確保武器裝備的安全。傳統(tǒng)故障診斷設備采集設備開車后的電機轉速和振動信號，通過故障診斷算法完成判斷，而采集到的振動信號包含大量的高頻干擾信號，傳統(tǒng)濾波器設置10倍工頻作為截止頻率，在轉速達到6 000 r/min以上時可較好地濾除高頻干擾，而在轉速在2 000 -6 000 r/min時由于截止頻率過高，無法達到濾除效果。而數(shù)字FIR濾波器如能方便修改參數(shù)矩陣，就可以實現(xiàn)改變各項濾波參數(shù)靈活配置濾波器的要求，為達到濾波要求，本文摸索出一種方便利用MATLAB和QUARTUS II設計FIR濾波器的方法和流程，實踐證明，能夠改善振動信號去噪能力，可提高信噪比。

2 FIR濾波器的原理及設計方法

2.1 FIR濾波器數(shù)學模型

數(shù)字濾波是將輸入的信號序列按規(guī)定的算法處理，得到所期望的輸出序列。一個線性時不變系統(tǒng)的輸出序列v（n）與輸入序列x（n）之間應滿足常系數(shù)線性差分方程：窗、Kaiser窗等，前三種窗函數(shù)都是以增加主瓣寬度為代價換取一定程度的旁瓣抑制。只有Kaiser窗是通過調(diào)整參數(shù)值來折中選擇主瓣寬度和旁瓣衰減，因此具有很高的靈活性。

3 基于MATLAB&QUARTUS¨的FIR濾波器設計

3.1

數(shù)字濾波器總體設計方案 FIR濾波器設計流程如圖2所示。

MATLAB數(shù)學工具優(yōu)勢在于不僅可以完成基本的數(shù)學運算，對信號進行處理，而且根據(jù)各專門領域中的特殊需要提供了許多可選的工具箱，本文采用其設計濾波器專用的Filter Design& Analysis To01（ FDA）工具箱，該工具箱使用方便，操作簡單，可輸出需要的濾波器參數(shù)數(shù)組。

QUARTUSⅡ是Altera公司的綜合性FPGA開發(fā)軟件，內(nèi)嵌自帶的綜合器和仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整FPGA設計流程。QUARIUSⅡ支持Altera的IP核，用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化設計的復雜性，加快設計速度。

設計時將二者結合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，先利用MATLAB的Filter Design& Analysis To01（ FDA）工具箱進行數(shù)字低通濾波器的設計，再將濾波器參數(shù)導人QUARTUSⅡ中進行編程，整個設計流程如圖2所示。

3.2 基于MATLAB的數(shù)字低通濾波器參數(shù)設計

利用MATLAB中的數(shù)字濾波器設計模塊FDATOOL進行低通濾波器的設計，步驟如下。在MATLAB指令窗口中輸入“FDATOOL”，彈出窗口如圖3所示。

根據(jù)整體設計要求，將濾波器參數(shù)設置如下。

類型（Filer Type）：低通（Low Pass）。

設計方法（Design Method）： FIR。

采用窗函數(shù)法（ Window）：Kaiser窗。

采樣頻率Fs為2 000 Hz。

截止頻率Fc為500 Hz。

濾波器的階數(shù)取16，因此Filter order取15。

阻帶衰減不小于50 dB，beta值取4.5。

數(shù)字濾波器分析方面，F(xiàn)IR濾波器幅頻響應如圖4所示。

設計好濾波器后，通過FDA工具中的Analysis按鈕進行濾波器分析，啟動幅頻響應分析如圖4所示，其中x軸為頻率，y軸為幅度值（單位為dB）。

由圖4可以得到，頻率在200 Hz以下的信號基本沒有發(fā)生衰減，而頻率在500 Hz及以上的信號則發(fā)生了較大幅度的衰減，并且不小于50 dB。指標達到了濾波器的設計要求。FIR濾波器相頻響應分析如圖5所示。由圖5可知設計的FIR濾波器在通帶內(nèi)為線性相位響應，即該濾波器是一個線性相位的濾波器。線性相位意味著通帶信號保真，滿足了設計要求。

導出濾波器系數(shù)方面，利用MATLAB的FDA工具箱設計完成FIR低通濾波器并且滿足設計要求后，再將濾波器系數(shù)，即一個包含16個濾波器參數(shù)的數(shù)組導出到TXT文本中供QUARTUSⅡ在設計FIR IP核時調(diào)用。

3.3 基于FPGA的數(shù)字低通濾波器設計

在完成MATLAB軟件仿真及數(shù)據(jù)準備之后，開始進行FPGA設計工作，流程如圖6所示。

建立工程，設置FIR核參數(shù)，如圖7所示。根據(jù)需要將FIR核的參數(shù)設置濾波器系數(shù)位寬（Bit Width）為12 bit，目標器件（ Device Family）為CycloneⅣE，流水線級數(shù)（ Pipline Level）為1，輸入數(shù)據(jù)及濾波器系數(shù)的存儲資源保持默認值為Logic Cells，濾波器結構（Structure）為DistributedArithmetic：Fully parallel。濾波器系數(shù)通過外部文件（FirCoe.txt）導人，如圖8所示。

編寫Verilog HDL程序，實現(xiàn)濾波功能，主要程序如下：

module FirIPDa （reset_n， clk， Sin， S_out）;

input reset_n;

//復位信號，低電平有效

input

clk; //FPGA系統(tǒng)時鐘2kHz

input signed [11：0]S_in; //數(shù)據(jù)輸入頻率為2kHz

output signed [24：0]S_out.//濾波后的輸出數(shù)據(jù)

wire ast sink_valid， astsourceready，

wire ast_ source_valid;

wire[1：0]ast_sourceerror;

wire [1：0]ast_sink_error;

assign astsink_valid-1fb1;

assign ast_sourceread～l'bl;

assign astsink_error2'd0;

fir firinst（.clk（clk）， .reset_n（reset_n），

.ast sink data（S_in），

.ast_ sink valid（ast_sink_valid），

.ast_ sourceready（ast_sourceready），

.ast sink_ error（ast_sink_error），

.ast source_data（Sout），

.ast sink ready（ast_sink_ready），

.ast_ source_valid（astsource_valid），

.ast_ sourceerror（ast_sourceerror》;

endmodule

利用Modelsim進行仿真并將仿真結果輸出至外部文件中，再使用MATLAB軟件對測試結果進行分析對比，對比情況如圖9.圖10所示。

圖10輸入信號與輸出信號的時域波形對比

從圖9中可以看出，800 Hz附近的噪聲信號衰減都大于50 dB，而200 Hz附近的信號幾乎沒有改變，滿足了設計要求。從圖10中可以看出，輸入信號有兩個峰值，經(jīng)過濾波后變?yōu)榱藛畏澹⑶冶Ａ粝聛砟莻€信號的幅度也有所加強，滿足了設計要求。

4 結束語

本文完整地論述了基于MATLAB和FPGA的FIR低通濾波器的設計思路和仿真，達到了對FIR濾波器設計的要求，仿真實驗驗證了設計的正確性，使得設備故障診斷信號源的信噪比大大提高，為后期故障診斷算法運行提供高質(zhì)量的信號。這一方法可以應用到各種采用FIR濾波器的數(shù)字系統(tǒng)中，提高信號濾波效果。

參考文獻：

[l]何蘊良，耿淑琴，汪金輝.基于Verilog的FIR數(shù)字濾波器設計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2016（ 10）： 1-4.

[2]解亞南.基于FPGA的數(shù)字濾波器的設計研究[D].青島：青島大學，2016.

[3]楊峰.基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設計與仿真[J].四川文理學院學報，2016，26 （5）： 33-35.

[4]杜勇.數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實現(xiàn)（Altera/Verilog版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5]曹振吉，何敏.基于FPGA和Matlab的FIR數(shù)字濾波器[J].現(xiàn)代電子技術，2015，38 （1）： 98-102.

[6]劉東華.Altera系列FPGA芯片口核詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[7]汪麗娜.音頻信號采集系統(tǒng)中數(shù)字濾波器的研究與設計[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[8]王香，張莉莉.基于FPGA的16階FIR數(shù)字濾波器的設計[J].電子世界，2013（ 16）： 148-149。

[9]單文軍，周雪純，李文華.基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（14）： 123-126.

[10]張景芝.基于FPGA的數(shù)字濾波器設計與實現(xiàn)[D].石家莊：河北經(jīng)貿(mào)大學，2012.

[11]劉慶良，盧榮軍，李建清.FIR數(shù)字濾波器的FPGA實現(xiàn)研究[J].電子設計工程，2010（3）：59-61，64.