基于FPGA的非接觸電導(dǎo)檢測FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與研究

付 豪,周彬彬,呂 義,袁海林,廖紅華

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

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基于FPGA的非接觸電導(dǎo)檢測FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與研究

付 豪,周彬彬,呂 義,袁海林,廖紅華*

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

為解決非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)易受噪聲干擾的問題，介紹了一種基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器解決方案.應(yīng)用Matlab中的Simulink對非接觸電導(dǎo)檢測模型建模并產(chǎn)生信號，通過DSP Builder搭建的FIR數(shù)字濾波器對信號的高頻噪聲進行濾波處理，最后用FPGA仿真相應(yīng)功能.仿真結(jié)果表明：FIR數(shù)字濾波器可以較好的濾除電導(dǎo)檢測中的高頻噪聲，系統(tǒng)處理速度快，運行穩(wěn)定可靠，適合于非接觸電導(dǎo)檢測.

非接觸電導(dǎo)檢測；FIR數(shù)字濾波器；DSP Builder

非接觸電導(dǎo)檢測是近些年發(fā)展起來的一種新型的檢測技術(shù)，特別是該檢測技術(shù)應(yīng)用在電泳芯片上，具有快速、高效且需要樣品溶液少等優(yōu)點.由于芯片的溝道較短，導(dǎo)致檢測信號帶有少量的隨機、周期性激勵信號干擾[1-2].為提高檢測信號的靈敏度，本系統(tǒng)提出了一種基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器，對檢測信號進行濾波處理.本文提出的數(shù)字濾波器為低通濾波器，可以有效的濾除高頻雜波，并且該濾波器具有穩(wěn)定性高、成本較低、實時性強等優(yōu)點，非常利于非接觸電導(dǎo)檢測的濾波處理.

1 非接觸電導(dǎo)檢測的建模與噪聲分析

非接觸電導(dǎo)檢測模型為4電極電容耦合非接觸電導(dǎo)檢測模型[3-4].在非接觸電導(dǎo)檢測等效模型中，電容C1、C2、C3和C4為每兩個電極之間的寄生電容，且每個電容都是并聯(lián)關(guān)系.R0為恒流源的等效電阻，電阻R1、R2和R3分別為電極之間的等效電阻.在外測電極兩端施加一個恒流源提供激勵電流，內(nèi)側(cè)的兩個電極產(chǎn)生檢測信號V0.建立的非接觸電導(dǎo)檢測等效電路模型如圖1(a)所示.由上述原理可知，噪聲的主要來源檢測電解液時產(chǎn)生信號自帶的高頻噪聲，為了提高測試的精確性，必須減少測試產(chǎn)生的高頻噪聲.通過Matlab搭建模塊并產(chǎn)生波形信號.非接觸電導(dǎo)檢測信號如下圖1(b)所示.

消除信號噪聲主要采取以下兩種方法：

1)設(shè)計方法改進降噪.這種降噪方法需要對設(shè)計方法和硬件電路進行改進，但這種方法需要提高硬件成本，且理論上也很難實現(xiàn).

圖1 非接觸電導(dǎo)檢測模型Fig.1 Mode of contactless conductivity detection

2)設(shè)計濾波器的方式降噪.該方式成本低、實現(xiàn)方便，可控性較強.

結(jié)合兩種方式的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)設(shè)計采用第二種方式的設(shè)計濾波器的方式降噪，不僅有成本低、實現(xiàn)方便，而且可以對濾除的噪聲可調(diào)、可控的好處.

2 FIR數(shù)字濾波器基本原理

在實際的工程應(yīng)用中，非接觸電導(dǎo)檢測為模擬信號，需要將電導(dǎo)檢測電信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能進行濾波處理.數(shù)字濾波器不僅有成本低、實現(xiàn)方便，

圖2 FIR濾波器基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic Structure of FIR filter

而且可以對濾除的噪聲可調(diào)、可控的好處.

3 基于AlteraDSP Builder的FIR濾波器的設(shè)計

DSP Builder為Altera可編程邏輯器件(PLD)中的DSP系統(tǒng)設(shè)計需要的高級算法和HDL開發(fā)工具[10-11].Altera DSP Builder可以很好的將Matlab和Simulink系統(tǒng)相結(jié)合，其中的算法搭建、仿真和驗證可以在Matlab中獨立完成，之后再與FPGA的仿真、編譯綜合融合在一起，且在設(shè)計實現(xiàn)較簡單，免去了較為繁瑣的軟件編程.

圖3 基于AlteraDSP Builder的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of digital filter based on Altera DSP Builder

3.1 數(shù)字濾波器的參數(shù)設(shè)計

本系統(tǒng)需要設(shè)計一個16階數(shù)字濾波器，主要設(shè)計方法如下：進去Matlab之后，點開Start選擇其中的FDATool設(shè)計所需濾波器，接著進入Filter Design & Analysis Tool界面配置所需低通濾波器的參數(shù)：反應(yīng)類型(Response Type)選擇Lowpass、設(shè)計方法(Design Method)選擇FIR&Window、濾波器階數(shù)(Filter Order)定制為15、Fs為50KHz，F(xiàn)c為10KHz.通過該濾波器的幅頻特性曲線和相頻特性曲線導(dǎo)出16階濾波器的系數(shù)Num到Matlab的workspace中，再通過在主窗口中輸入命令round(Num*(2^9))，則可以運用歸一化在主窗口中得出濾波器的系數(shù)如下：

[H(0),H(1),…,H(15)] =[-19,6,29,3,-45,-25,94,214,214,94,-25,-45,3,29,6,-19]

3.2 FIR數(shù)字濾波器在DSP Builder中的設(shè)計

本系統(tǒng)需要設(shè)計一個16階數(shù)字濾波器，則首先設(shè)計一個4階的數(shù)字濾波器，如圖3(a)所示，其中包括有DSP Builder模塊中的AltBus接口總線、Delay延時單元、Product乘法器、Parallel Adder Subtractor加法器，再生成16階數(shù)字濾波器所需的Subsystem子模塊，通過模塊級聯(lián)的方式，組成16階的數(shù)字濾波器，這種方法簡單易操作，想提高濾波器的階數(shù)只需復(fù)制子模塊級聯(lián)即可.16階數(shù)字濾波器如圖3(b)所示.

圖4 FIR數(shù)字濾波器IP核模塊Fig.4 IP core module of FIR digital filter

3.3 基于FPGA的功能實現(xiàn)

為了進一步實現(xiàn)相應(yīng)功能，將Matlab中的模塊轉(zhuǎn)換為VHDL語言，進行仿真[12-13].首先在Altera DSP Builder工具箱中找到SignalCompilar模塊和TestBench模塊加到Simulink文件中，啟動SignalCompilar模塊生成為Quartus II工程，得FPGA平臺搭建頂層原理圖.FIR濾波器的IP核模塊如圖4所示.

4 仿真與驗證

圖5 FIR濾波器的Modelsim仿真結(jié)果Fig.5 Modelsim simulation results of FIR filter

本系統(tǒng)應(yīng)用仿真環(huán)境為Modelsim，通過該環(huán)境對FIR濾波器進行仿真驗證.仿真結(jié)果如圖5所示.

通過圖5的仿真結(jié)果圖可以看出，所觀測的信號都為自動無符號模擬信號，顯示模式為波形信號.Input1為非接觸電導(dǎo)檢測信號，Output為經(jīng)過濾波器濾波之后的輸出信號.輸出信號相對于輸入信號有了一定的時間偏移，是因為濾波器延時器的原因，但不影響濾波效果.輸入信號的干擾噪聲得到了濾除，且很好地保持原信號的基本特征.

5 結(jié)論

本文介紹了非接觸電導(dǎo)檢測的基本原理，分析了噪聲產(chǎn)生的不同原因，根據(jù)指標，通過DSP Builder搭建模型，再生成VHDL語言，通過Matlab+ModelSim進行仿真.結(jié)果表明：FIR數(shù)字濾波器可以很好地完成對非接觸電導(dǎo)檢測中的干擾噪聲進行濾波，且很好地保持原信號的基本特征，對后面的工程提高非接觸電導(dǎo)的微弱信號檢測精度提供了強有力的支持.

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責任編輯：時 凌

Design of FIR Digital Filters for the Contactless Conductivity Detection Based on FPGA

FU Hao,ZHOU Binbin,LYU Yi,YUAN Hailin,LIAO Honghua*

(School of Information and Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

To solve the noise problem of contactless conductivity detection system,we introduced a solution of FIR digital filter based on FPGA.Firstly,Simulink of Matlab is used to establish a model for the contactless conductivity detection and producing the signal.Secondly,the FIR digital filter built by DSP Builder filters out the high frequency noise of the signal.Finally,the corresponding function is simulated by using FPGA.The experimental results show that the FIR digital filter can greatly filter out the high frequency noise of the contactless conductivity detection.The system has the advantages of fast processing speed,high stability and reliability,which is suitable for the contactless conductivity detection.

contactless conductivity detection; FIR digital filter; DSP Builder

2017-03-21.

國家自然科學基金項目(61463014；61263030)

付豪(1993-)，男，碩士生，主要從事電力電子與電力傳動、嵌入式系統(tǒng)等的研究;*

廖紅華(1972-), 男(土家族)，博士，教授，主要從事電力電子與電力傳動、嵌入式系統(tǒng)及微型全分析系統(tǒng)等的研究.

1008-8423(2017)02-0216-03

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.024

TP311

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