LabVIEW在誤差理論與數據處理實驗中的應用

蔣彥[1]，朱慧玲，謝靜，王玉林

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LabVIEW在誤差理論與數據處理實驗中的應用

蔣彥[1]，朱慧玲，謝靜，王玉林

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

誤差理論與數據處理是測控技術與儀器專業的一門專業基礎課，課程的理論性強，公式多并且較復雜，給學生學習該門課程造成了一定的困難．利用圖形化編程語言LabVIEW進行實驗軟件的開發，將該課程實驗的數據處理部分利用軟件完成，使學生有更多的時間專注于誤差理論和數據處理方法的理解．

誤差理論；數據處理；LabVIEW；實驗教學

誤差理論與數據處理是測控技術與儀器專業一門必修的專業基礎課，該課程為其它專業課提供了必備知識．但是誤差理論與數據處理這門課程內容較枯燥單調，有很多抽象概念和理論公式，數據處理計算量非常大，影響學生的學習興趣和教學質量．從測控技術與儀器專業往屆本科生的畢業論文中也能夠看出，很多學生對誤差理論知識沒有深刻理解，數據處理及儀器精度分析不當，影響了論文的整體水平[1]．

在誤差理論與數據處理傳統的實驗教學過程中，學生在完成數據的測量后，通常采用手工加簡單的計算器的方法來進行最后的數據處理，工作量大且計算過程繁瑣，非常容易出錯．隨著LabVIEW，Matlab，Mathematica，Origin等優秀軟件的出現，很多復雜的計算過程利用軟件通常只需要幾條語句就能實現，因為這些軟件擁有較強的數學計算工具．將這些軟件工具應用于誤差理論與數據處理的實驗教學中，可以提高學生數據處理的效率，使學生有更多的時間專注于誤差理論和數據處理方法的理解[2-3]．

1 LabVIEW編程開發環境介紹

對于誤差理論與數據處理的實驗軟件，因為涉及的數據計算比較多，如果用傳統的編程語言來開發則效率比較低．LabVIEW是由美國國家儀器公司研發的程序開發環境，類似于VC和VB開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編程語言G語言來編寫程序，產生的程序是框圖的形式．

LabVIEW有一個龐大的函數庫，包括數據采集、GPIB、串口控制、數據顯示及數據存儲等，LabVIEW在數值分析、科學計算及建模仿真等方面具有獨特優勢．LabVIEW有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動態方式顯示數據及其子程序的結果、單步執行等，便于程序的調試．LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，可用來方便快速的創建用戶交互界面．采用LabVIEW編寫程序比一般文本語言編寫程序的效率高3~5倍[4]．

2 軟件設計實例

根據誤差理論與數據處理這門課程的教學內容，軟件設計了2個典型實驗供學生操作．通過該軟件，學生可以錄入測量數據，了解數據處理過程，選擇處理方法進行結果對比驗證，進行精度估計等．

2.1 實驗原理

以一元線性回歸內容為例，設計差動電感式傳感器輸出電壓隨位移變化的回歸分析實驗，實驗原理可參閱文獻[5]第6章的相關內容．

2.2 前面板設計

借助實驗室已有的傳感器實驗臺和萬用表等測量工具，學生可以實測在給定某個位移時，差動電感式傳感器的輸出電壓，然后利用程序中的2個一維數組分別輸入位移與電壓的測量數據（見圖1），根據測量數據，建立一元線性回歸模型，并通過XY圖控件在前面板繪制出測量原始曲線、一元線性回歸曲線和誤差分布圖（見圖2），給出置信區間和統計參量（這部分的計算可以留給學生自行編程補充完成）．

圖1 測量數據輸入界面

圖2 測量結果顯示界面

2.3 程序框圖設計

程序設計的流程圖見圖3．

圖3 流程圖

程序框圖主要采用了條件結構、For循環結構、數組函數、簇函數以及線性擬合函數來實現實驗的各項功能和相關計算（見圖4）．采用LabVIEW進行數據處理程序的編寫，不管是前面板還是程序框圖的設計，都能快速地完成，提高了效率．

圖4 主要程序框圖

2.4 線性擬合函數介紹

程序中完成擬合運算的函數是線性擬合函數（Linear Fit.vi），該函數位于函數模板-數學-擬合子模板下．功能是通過最小二乘法、最小絕對殘差或Bisquare（雙平方）方法返回數據集（X，Y）的線性擬合．函數圖標及輸入輸出端口見圖5．

圖5 線性擬合函數

該函數通過循環調用廣義最小二乘方法和Levenberg-Marq-uardt（列文伯格-馬夸爾特）方法使實驗數據擬合為通用形式由描述的直線，其中：是輸入序列；是斜率；是截距．該函數可得到觀測點的最佳擬合和的值．如使用最小二乘法，該函數可依據等式=最小，來最小化殘差得到對線性模型的斜率和截距，其中：是的長度；是權重的第個元素；是最佳線性擬合的第個元素；是的第個元素．

3 結語

本文討論了基于LabVIEW編程環境進行誤差理論與數據處理實驗軟件設計的方法，這一思路也可以擴展應用到其它工程軟件的設計中，對于那些需要復雜計算的場合，LabVIEW提供了一種高效快速解決問題的途徑．應用LabVIEW所設計的實驗軟件，為誤差理論與數據處理這門課程的實驗教學提供了有力工具．

[1] 許景波，陸繼橋，劉波，等．基于COM組件混合編程的誤差理論教學實驗軟件設計[J]．高師理科學刊，2015，35（6）：82-85

[2] 汪鳳林，汪秀麗，溫秀蘭．誤差理論與數據處理課程改革探索[J]．中國現代教育裝備，2008（11）：60-62

[3] 李偉紅，龔衛國，姚紅，等．誤差理論與數據處理教學改革及實驗課的設立[J]．實驗技術與管理，2003，20（2）：125-128

[4] 黃松嶺，王珅，趙偉．虛擬儀器設計教程[M]．北京：清華大學出版社，2015

[5] 費業泰．誤差理論與數據處理[M]．7版．北京：機械工業出版社，2015

Application of LabVIEW in the experiment of error theory and data processing

JIANG Yan，ZHU Hui-ling，XIE Jing，WANG Yu-lin

（School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China）

Error theory and data processing is a professional basic course of measurement and control technology and instrument，the course has deeper theory and more complicated formulas，which brings some difficulties for students to learn the course. Using graphical programming language LabVIEW to development experiment software，using software to complete the data processing part of experiment，so that the students have more time to focus on the understanding of the error theory and data processing method.

error theory；data processing；LabVIEW；experimental teaching

1007-9831（2016）02-0087-03

TP311.1∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.025

2015-12-30

2015年南華大學高等教育研究與改革項目（2015XJG-ZZ01）

蔣彥（1980-），男，廣西全州人，講師，碩士，從事測試計量技術及儀器研究．E-mail：nhdxjy@163.com