虛擬儀器技術在誤差理論與數據處理中的應用

王飛 陳飛 謝啟 劉繼成

摘? 要：誤差理論與數據處理作為測控技術與儀器專業(yè)的專業(yè)課程有著理論性和工程實踐需求性強的特點，這迫切需要針對性強的實驗來增強本專業(yè)學生對誤差與數據處理知識的理解及其在工程實踐中的應用認識。針對這樣的需求，設計了一種基于虛擬儀器的實驗系統(tǒng)，利用對圖像數據的處理來反饋控制多電機協(xié)同控制實現清晰圖像的獲取，通過該實驗系統(tǒng)將誤差的基本認識、分析和數據處理知識與實際應用結合起來，提高學生對誤差和數據處理的認識同時強化理論與實踐的結合。

關鍵詞：誤差理論與數據處理;工程實踐;理實結合

中圖分類號：TH70? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0184-03

Abstract： "Error Theory and Data Processing"， as a professional course of measurement and control technology and instrument， has the characteristics of strong theoretical and demand of engineering practice， which urgently needs certain experiments to enhance the students' understanding of error and data processing and their application in engineering practice. In order to meet this demand. For this purpose， an experimental system based on virtual instrument is designed， which uses image data processing to control multi-motor to achieve clear image acquisition. Through this experimental system， the basic knowledge， analysis and data processing knowledge of error are combined with practical application， so as to improve students' understanding of error and data processing and strengthen theory and practice at the same time.

Keywords： Error Theory and Data Processing; engineering practice; combination of theory and practice

誤差理論與數據處理作為測控技術與儀器專業(yè)的核心課程之一，是電子測量技術、智能儀器技術等課程的重要基礎，是開展科學研究和工程實踐的重要支撐[1-4]。本課程知識的掌握情況直接影響學生后續(xù)專業(yè)課程的學習，并將對其今后從事的電子測量、智能儀器測試、精密檢測等工作產生持續(xù)深遠的影響[5]。作為重要的專業(yè)課之一本課程有著課程理論性強和課程對工程實踐需求性高的特點，課程的特點使得學生學習過程中理解上存在較多的困難，同時缺少針對性強的工程案例結合理解，從而極大地影響了教學效果，限制著學生在實際工程應用中的誤差分析和數據處理能力，進而影響學生創(chuàng)新實踐能力，無法適應當前背景下新工科建設對人才能力的需求。因此迫切需要在課程專業(yè)知識開展學習的同時進行針對性強的實踐性項目強化學生對理論知識的理解，深入結合理論知識與工程實踐。

誤差理論與數據處理課程中實驗設計通常是在假定測量數據的基礎上利用課程里介紹的相關知識開展誤差分析和數據處理等任務以實現理論與實踐相結合地教學[6]，這種做法主要在仿真層面上讓學生認識了誤差和數據處理方法，但難以從工程需求實際入手，從數據采集、誤差分析和處理層面讓學生有工程性的認識，針對這種不足，設計了一種基于虛擬儀器的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)將測控技術與儀器專業(yè)應用極為廣泛的LabVIEW軟件引入作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，通過圖像的采集和相應的數據處理來控制電機的運動，實現一種滿足特定清晰度成像的系統(tǒng)。通過該實驗系統(tǒng)強化學生對數據采集、誤差分析和數據處理的認識以及鍛煉學生理論與工程實踐相結合的能力。

1 系統(tǒng)設計

以鍛煉學生進一步認識數據采集、誤差和數據處理和強化理論與工程應用能力為目的，設計了一種虛擬儀器平臺下在電機帶動鏡頭運動下，利用圖像數據采集和對采集數據進行處理并反饋控制電機最終獲得清晰圖像的試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)通過初始校準確定并消除（減小）系統(tǒng)誤差的影響，然后對采集到的圖像進行均值計算得到圖像的平均值以消除隨機性帶來的誤差，進一步利用圖像清晰度函數等相關數據計算得到對應位置圖像的清晰度信息，利用清晰度信息反饋控制電機，進一步使得鏡頭向清晰度高的位置運動，消除或進一步減小誤差。系統(tǒng)設計示意圖如圖1。

系統(tǒng)設計包括上位機的LabVIEW軟件設計和硬件平臺構建，通過軟硬件的協(xié)同設計鍛煉學生系統(tǒng)認識，同時加強對誤差以及數據處理在工程實踐中的應用理解。

2 硬件設計

硬件部分包括整體框架、傳動、電機等，采用如下的方案：

（1）通過步進電機來調節(jié)CMOS成像的中心點對齊目標板中心，以消除或減小系統(tǒng)誤差地影響。

（2）通過ELVISII采集板卡來控制步進電機的運動，獲取清晰圖像，消除或減小清晰度誤差。

（3）使用USB攝像頭進行圖像采集，再選取合適的圖像清晰度函數來評價圖像質量。

3 軟件設計

本系統(tǒng)基于虛擬儀器框架，其控制終端利用G語言LabVIEW來編寫。該軟件具可視化的圖形編程特點，由于虛擬儀器關鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器建立聯系比較容易實現，同時LabVIEW是測控技術與儀器專業(yè)中應用極為廣泛的工具軟件，所以利用其構建實驗系統(tǒng)的上位機。上位機軟件以成像為目標主要調焦（自動和手動）、參數設置以及停止功能。主界面如下圖3所示：

調焦是系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，而自動調焦是系統(tǒng)應用的主要目標，利用中心點對齊，即將CMOS傳感器的中心點與目標板中心對齊消除或減小系統(tǒng)誤差的影響，便于同軸情況下調焦，調焦過程中對采集的圖像數據進行處理，通過消除或減小隨機誤差的影響以及限制清晰度誤差來實現最佳成像。其流程圖如下圖4：

自動調焦環(huán)節(jié)包括了圖像采集過程中的數據處理，由于采集的圖像受光源、機構運動不均衡、采集設備采樣率和精度等隨機因素的存在引入了隨機噪聲誤差，因此需要對每組采集的圖像通過多幀圖像取均值的方法進行隨機誤差的消除，采用公式：

其中Ii表示第i幀圖像，n表示本組采樣采集了n幀圖像。通過該處理環(huán)節(jié)鍛煉學生對隨機誤差和消除隨機誤差的方法的認識，而系統(tǒng)誤差則在初始定位時候，通過系統(tǒng)構建中心點校正的環(huán)節(jié)進行了認識和標定。

在圖像采集并消除隨機誤差影響的基礎上，利用了清晰度函數計算的數據處理方式，得到每一組采樣對應圖像的清晰度數值，利用清晰度數值與最佳數值的偏差來校正電機運動，這里的清晰度函數采用的是灰度差分絕對值之和（SMD）：

根據這個公式，使用2個while循環(huán)進行求和編寫了如下圖6的程序。

其自動調焦效果如圖7。

通過以上過程簡述所設計試驗系統(tǒng)的相關功能，并借助試驗系統(tǒng)的工作開展鍛煉學生對具體工程實踐中誤差存在的形式、誤差的分類、相關處理方法以及采集的各種數據的處理方式等認識和理解，通過本試驗系統(tǒng)的構建強化學生對誤差理論與數據處理相關知識的理解和具體工程案例中誤差的各種認識。

4 結束語

本文以測控技術與儀器專業(yè)學生對誤差理論與數據處理課程理論與工程實踐相結合，強化學生對誤差及數據處理認識為目的設計了一種基于虛擬儀器的試驗系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的設計并討論了通過系統(tǒng)相應環(huán)節(jié)的學習和實驗對誤差認識、數據處理理解以及工程實踐強化的作用，這一思路也可以擴展至其它工程設計中，為那些需要復雜計算的場合提供了一種高效快速解決問題的途徑，為誤差理論與數據處理這門課程的實驗教學提供思路。

參考文獻：

[1]徐志玲，趙玉曉，金驥，等.“誤差理論與數據處理”立體化課程設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2014（11）：201-204.

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[3]李成，錢政，樊尚春，等.《誤差分析與數據處理》的探究式教學[J].實驗科學與技術，2013（1）：83-85.

[4]羅清華，焉曉貞，彭宇，等.“誤差理論與數據處理”課程研究型教學探索[J].電氣電子教學學報，2016（3）：55-57.

[5]吳石林，張玘，劉國福，等.誤差理論與數據處理課程課程教學改革初探[J].高等教育研究學報，2011（4）：80-81.

[6]蔣彥，朱慧玲，謝靜，等.LabVIEW在誤差理論與數據處理實驗中的應用[J].高師理科學刊，2016，36（02）：91-93.