LabVIEW在誤差理論與數(shù)據(jù)處理實驗中的應(yīng)用

蔣彥[1]，朱慧玲，謝靜，王玉林

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LabVIEW在誤差理論與數(shù)據(jù)處理實驗中的應(yīng)用

蔣彥[1]，朱慧玲，謝靜，王玉林

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

誤差理論與數(shù)據(jù)處理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的理論性強，公式多并且較復(fù)雜，給學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程造成了一定的困難．利用圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行實驗軟件的開發(fā)，將該課程實驗的數(shù)據(jù)處理部分利用軟件完成，使學(xué)生有更多的時間專注于誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法的理解．

誤差理論；數(shù)據(jù)處理；LabVIEW；實驗教學(xué)

誤差理論與數(shù)據(jù)處理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程為其它專業(yè)課提供了必備知識．但是誤差理論與數(shù)據(jù)處理這門課程內(nèi)容較枯燥單調(diào)，有很多抽象概念和理論公式，數(shù)據(jù)處理計算量非常大，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量．從測控技術(shù)與儀器專業(yè)往屆本科生的畢業(yè)論文中也能夠看出，很多學(xué)生對誤差理論知識沒有深刻理解，數(shù)據(jù)處理及儀器精度分析不當(dāng)，影響了論文的整體水平[1]．

在誤差理論與數(shù)據(jù)處理傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生在完成數(shù)據(jù)的測量后，通常采用手工加簡單的計算器的方法來進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)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(yōu)秀軟件的出現(xiàn)，很多復(fù)雜的計算過程利用軟件通常只需要幾條語句就能實現(xiàn)，因為這些軟件擁有較強的數(shù)學(xué)計算工具．將這些軟件工具應(yīng)用于誤差理論與數(shù)據(jù)處理的實驗教學(xué)中，可以提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理的效率，使學(xué)生有更多的時間專注于誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法的理解[2-3]．

1 LabVIEW編程開發(fā)環(huán)境介紹

對于誤差理論與數(shù)據(jù)處理的實驗軟件，因為涉及的數(shù)據(jù)計算比較多，如果用傳統(tǒng)的編程語言來開發(fā)則效率比較低．LabVIEW是由美國國家儀器公司研發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境，類似于VC和VB開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)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(chǎn)生的程序是框圖的形式．

LabVIEW有一個龐大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等，LabVIEW在數(shù)值分析、科學(xué)計算及建模仿真等方面具有獨特優(yōu)勢．LabVIEW有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動態(tài)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試．LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便快速的創(chuàng)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(shè)計實例

根據(jù)誤差理論與數(shù)據(jù)處理這門課程的教學(xué)內(nèi)容，軟件設(shè)計了2個典型實驗供學(xué)生操作．通過該軟件，學(xué)生可以錄入測量數(shù)據(jù)，了解數(shù)據(jù)處理過程，選擇處理方法進(jìn)行結(jié)果對比驗證，進(jìn)行精度估計等．

2.1 實驗原理

以一元線性回歸內(nèi)容為例，設(shè)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(xiàn)[5]第6章的相關(guān)內(nèi)容．

2.2 前面板設(shè)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(xué)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(shù)組分別輸入位移與電壓的測量數(shù)據(jù)（見圖1），根據(jù)測量數(shù)據(jù)，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(qū)間和統(tǒng)計參量（這部分的計算可以留給學(xué)生自行編程補充完成）．

圖1 測量數(shù)據(jù)輸入界面

圖2 測量結(jié)果顯示界面

2.3 程序框圖設(shè)計

程序設(shè)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(jié)構(gòu)、For循環(huán)結(jié)構(gòu)、數(shù)組函數(shù)、簇函數(shù)以及線性擬合函數(shù)來實現(xiàn)實驗的各項功能和相關(guān)計算（見圖4）．采用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理程序的編寫，不管是前面板還是程序框圖的設(shè)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(shù)介紹

程序中完成擬合運算的函數(shù)是線性擬合函數(shù)（Linear Fit.vi），該函數(shù)位于函數(shù)模板-數(shù)學(xué)-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(shù)據(jù)集（X，Y）的線性擬合．函數(shù)圖標(biāo)及輸入輸出端口見圖5．

圖5 線性擬合函數(shù)

該函數(shù)通過循環(huán)調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)可依據(jù)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(quán)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(jié)語

本文討論了基于LabVIEW編程環(huán)境進(jìn)行誤差理論與數(shù)據(jù)處理實驗軟件設(shè)計的方法，這一思路也可以擴(kuò)展應(yīng)用到其它工程軟件的設(shè)計中，對于那些需要復(fù)雜計算的場合，LabVIEW提供了一種高效快速解決問題的途徑．應(yīng)用LabVIEW所設(shè)計的實驗軟件，為誤差理論與數(shù)據(jù)處理這門課程的實驗教學(xué)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(xué)實驗軟件設(shè)計[J]．高師理科學(xué)刊，2015，35（6）：82-85

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

[3] 李偉紅，龔衛(wèi)國，姚紅，等．誤差理論與數(shù)據(jù)處理教學(xué)改革及實驗課的設(shè)立[J]．實驗技術(shù)與管理，2003，20（2）：125-128

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

[5] 費業(yè)泰．誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]．7版．北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)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(shù)及儀器研究．E-mail：nhdxjy@163.com