LabVIEW在線(xiàn)性擬合與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

方洵 魏亞茹 鄭玉恒

摘 要：誤差理論與數(shù)據(jù)處理是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，課程的理論性強(qiáng)，公式繁多復(fù)雜，給學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程造成了一定的困難.利用圖形化編程語(yǔ)言 LabVIEW 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)，將該課程實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理部分利用軟件完成，使學(xué)生有更多的時(shí)間專(zhuān)注于誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法的理解。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;線(xiàn)性擬合;數(shù)據(jù)處理

1.LabVIEW編程開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

LabVIEW提供很多外觀(guān)與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶(hù)界面。用戶(hù)界面在 LabVIEW 中被稱(chēng)為前面板。使用圖標(biāo)和連線(xiàn)，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱(chēng)G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類(lèi)似于流程圖，因此又被稱(chēng)作程序框圖代碼。

2.軟件設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1實(shí)驗(yàn)原理

用最小二乘的方法，設(shè)計(jì)輸出電壓隨廢氣濃度的變化關(guān)系。

2.2程序設(shè)計(jì)

給定廢氣濃度（X），輸出電壓值（Y），設(shè)計(jì)VI，實(shí)現(xiàn)輸入壓力值與輸出電壓值之間的最佳線(xiàn)性擬合直線(xiàn)。

2.3程序框圖設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用了LabVIEW數(shù)組函數(shù)，簇函數(shù)，創(chuàng)建數(shù)組，數(shù)組捆綁，XY圖以及線(xiàn)性擬合函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能及數(shù)據(jù)計(jì)算與處理。得到數(shù)據(jù)快速且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，相比于人為計(jì)算，減少了出錯(cuò)率，有效提高了效率。

2.4.線(xiàn)性擬合函數(shù)介紹

（1）輸入?yún)?shù)

Y：是由因變值組成的數(shù)組。Y的長(zhǎng)度必須大于等于未知參數(shù)的元素個(gè)數(shù)

X：是由自變量組成的數(shù)組。X的元素必須等于Y的元素個(gè)數(shù)。

權(quán)重：是觀(guān)測(cè)點(diǎn)（xi，yi）的權(quán)重?cái)?shù)組。權(quán)重的元素?cái)?shù)必須等于Y的元素?cái)?shù)。若權(quán)重未連線(xiàn)，VI將把權(quán)重的所有元素設(shè)置為1.

容差：確定使用最小絕對(duì)殘差或Bisquare方法時(shí)，何時(shí)停止斜率和截距的迭代調(diào)整。對(duì)于最小絕對(duì)殘差方法，若兩次連續(xù)的交互之間殘差的相對(duì)差小于容差，該VI將返回結(jié)果殘差。對(duì)于Bisquare方法，若兩次連續(xù)的交互之間斜率的和截距的相對(duì)差小于容差，該VI將返回斜率和截距。若容差小于等于0，VI將設(shè)置容差為0.0001。

方法：指定擬合方法。有3種方法可選擇：最小二乘（默認(rèn)），最小絕對(duì)殘差，Bisquare。

參世界限：包含斜率和截距的上、下限。若知道特定參數(shù)的值，可設(shè)置參數(shù)的上、下限為該值。

（2）輸出參數(shù)

最佳線(xiàn)性擬合：返回?cái)M合模型的Y值。

斜率：返回?cái)M合模型的斜率。

截距：返回?cái)M合模型的截距。

殘差：返回?cái)M合模型的加權(quán)平均值。若方法設(shè)置為最小絕對(duì)殘差值，則殘差為加權(quán)平均絕對(duì)誤差;否則殘差為加權(quán)均方誤差。

3.結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)是基于LabVIEW編程環(huán)境對(duì)誤差與數(shù)據(jù)處理的，同樣在其他編程環(huán)境上可實(shí)現(xiàn)，例如MATLAB與C語(yǔ)言。但相比于其他編程環(huán)境，LabVIEW則具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，LabVIEW操作更為簡(jiǎn)單，結(jié)果更加形象，效率更為高效。只需對(duì)相關(guān)圖標(biāo)的端口進(jìn)行連線(xiàn)，捆綁等操作，點(diǎn)擊運(yùn)行，即可完成大量繁復(fù)程序工作，結(jié)果可同時(shí)用數(shù)據(jù)與圖形圖表呈現(xiàn)，易于理解。

在誤差理論與數(shù)據(jù)處理的教學(xué)改革中，LabVIEW編程環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)高效的編譯，是一款教育與學(xué)習(xí)的有力工具。

參考文獻(xiàn)：

[1] 費(fèi)業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2015

[2] 張世英，劉智敏. 測(cè)量實(shí)踐的數(shù)據(jù)處理. 北京： 科學(xué)出版社， 1977

[3] 雷振山. ?LabVIEW 7 Express實(shí)用技術(shù)教程[M]. 北京：北京鐵道出版社，2004

[4] 張重雄，張思維. 虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)（第三版）. 北京：電子工業(yè)出版社， 2017

[5] 楊樂(lè)平，李海濤，楊磊. LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2005