MATLAB在智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

史麗紅

曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院 山東日照 276826

MATLAB在智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

史麗紅

曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院 山東日照 276826

智能儀器設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。提出將MATLAB仿真應(yīng)用于智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，并給出仿真實(shí)例。示例展示出軟件的編程設(shè)計(jì)，與計(jì)算機(jī)硬件相結(jié)合，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，使教學(xué)內(nèi)容更形象直觀，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

智能儀器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；MATLAB

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.12.128

作者：史麗紅，講師，主要從事自動(dòng)檢測(cè)及控制教學(xué)與研究。

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，智能儀器無論是在測(cè)量的準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、應(yīng)用功能等方面，還是在解決測(cè)試技術(shù)問題的深度和廣度方面，都有了巨大的提高。并且，憑借其強(qiáng)大的功能、優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化技術(shù)、軍事、航空等領(lǐng)域。

智能儀器課程是測(cè)控技術(shù)與儀器類專業(yè)的一門主干課程，它集技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性于一體，是一門涉及傳感器、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)分析與處理、可靠性和抗干擾技術(shù)等多門學(xué)科的現(xiàn)代綜合課程。該課程的開設(shè)可以幫助學(xué)生了解電子儀器技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)向，掌握智能儀器的設(shè)計(jì)思想和維護(hù)方法，為未來的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 課程的教學(xué)目的及現(xiàn)狀分析

智能儀器課程要求學(xué)生主要掌握以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1）微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；

2）多種類型信號(hào)的數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)處理算法；

3）智能儀器的設(shè)計(jì)思想；

4）抗干擾的軟硬件技術(shù)；

5）對(duì)儀器的高級(jí)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化等新發(fā)展有一定了解[1]。

本課程在課堂教學(xué)中通常教偏重于知識(shí)的傳授，其覆蓋面比較小，從而導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)面較窄，動(dòng)手能力不足。在實(shí)踐方面，測(cè)控專業(yè)的實(shí)驗(yàn)側(cè)重硬件設(shè)計(jì)，但是大部分硬件電路實(shí)驗(yàn)仍然是圍繞課程知識(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少綜合性和設(shè)計(jì)性[1]。并且，由于智能儀器的技術(shù)性強(qiáng)、更新速度快，導(dǎo)致該課程的實(shí)驗(yàn)無法及時(shí)跟上現(xiàn)代微電子技術(shù)等方面的發(fā)展，這些因素客觀上限制了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)造力的發(fā)揮。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展與普及，軟件硬化的趨勢(shì)也越發(fā)明顯，大量的控制、運(yùn)算任務(wù)可以借助軟件來實(shí)現(xiàn)，從而出現(xiàn)電子信息專業(yè)中基于LabVIEW的虛擬儀器開發(fā)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用軟件設(shè)計(jì)儀器，可大大減少硬件耗材的投入[1]。智能儀器的軟件設(shè)計(jì)是儀器的重要部分[2]，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盡量接近工程應(yīng)用實(shí)踐的要求出發(fā)，本文提出將虛擬儀器技術(shù)MATLAB仿真應(yīng)用于智能儀器的實(shí)踐教學(xué)手段。

3 MATLAB在智能儀器課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

MATLAB作為國(guó)際控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制。同時(shí)，MATLAB的應(yīng)用為學(xué)生搭建了一個(gè)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于增加學(xué)習(xí)興趣也有很大幫助。

在實(shí)驗(yàn)室中，通常用傳感器和插入式數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成各種測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各種物理量的測(cè)量功能。然而由于測(cè)量環(huán)節(jié)容易受到周圍環(huán)境的影響出現(xiàn)檢測(cè)故障，比如信號(hào)突變，從而給實(shí)際測(cè)量結(jié)果帶來誤差。下面以信號(hào)奇異點(diǎn)定位為例，來說明MATLAB在智能儀器數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的應(yīng)用。

3.1 基本原理分析

在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，信號(hào)突變是很快的。突變的信號(hào)在時(shí)間和空間上存在局部的變化[3]。根據(jù)信號(hào)變化的速度，可以對(duì)其進(jìn)行多尺度分析，當(dāng)出現(xiàn)奇異點(diǎn)時(shí)，信號(hào)小波變換后的系數(shù)具有模極大值，因此可以通過檢測(cè)模極大值點(diǎn)來確定故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)[4]。

圖1 LabVIEW調(diào)用MATLAB小波函數(shù)原理框圖

圖2 前面板圖

具體實(shí)現(xiàn)是通過LabVIEW MathScript調(diào)用MATLAB中的小波函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，得到每層的細(xì)節(jié)信號(hào)，進(jìn)而確定奇異點(diǎn)位置。

3.2 算法的實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，首先通過LabVIEW仿真生成含有奇異點(diǎn)的低頻緩變信號(hào)，在虛擬儀器的前面板中設(shè)置信號(hào)提取處理的參數(shù)；然后通過接口LabVIEW MathScript將參數(shù)傳遞給MATLAB中的小波函數(shù)，實(shí)現(xiàn)奇異點(diǎn)檢測(cè)與消除；最后將結(jié)果回傳給LabVIEW并進(jìn)行顯示[5]。

采用db3小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行5級(jí)分解的MATLAB程序如下所示：

3.3 運(yùn)行結(jié)果的可視化

為了加深學(xué)生的理解和記憶，可將運(yùn)行結(jié)果在LabVIEW的前面板中顯示出來，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行結(jié)果的可視化。如圖2所示，從“原始信號(hào)波形圖”中可以明顯地看出，在t=45和t=75兩處存在奇異點(diǎn)。

該實(shí)驗(yàn)中選擇db3小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，得到1～5層的細(xì)節(jié)信號(hào)?？梢钥闯?，在細(xì)節(jié)圖d1、d2和d3中均包含有奇異點(diǎn)，并且與原始信號(hào)中的奇異點(diǎn)是同步的。

在重構(gòu)信號(hào)時(shí)，分別對(duì)信號(hào)d1、d2和d3置零，即腳本程序中的“s0=a5+d5+d4”，可以得到圖2中的“奇異點(diǎn)消除”的信號(hào)波形。對(duì)比“原始信號(hào)波形圖”和“奇異點(diǎn)消除信號(hào)波形圖”可以看出，奇異值點(diǎn)已經(jīng)很不明顯了[7]。

4 結(jié)語

課程實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)智能儀器儀表有很大幫助，由于時(shí)間有限，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)幾乎不可能，因此，基于編程實(shí)現(xiàn)一些局部功能是現(xiàn)實(shí)的。本文通過舉例實(shí)現(xiàn)對(duì)智能儀器課程實(shí)驗(yàn)中引入MATLAB的嘗試，在教學(xué)實(shí)踐過程中取得較好的教學(xué)效果。該方法從先進(jìn)性、可靠性、安全性、實(shí)驗(yàn)綜合性等諸多方面都可以滿足現(xiàn)在智能儀器設(shè)計(jì)課程的教學(xué)。然而教學(xué)方法的改進(jìn)是永無止境的，為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的技術(shù)人才，還要不斷在實(shí)踐中積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力及增強(qiáng)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

[1]劉獻(xiàn)如.智能儀器課程教學(xué)改革探索[J].計(jì)算機(jī)教育,2010(19)∶45-47.

[2]殷建軍,項(xiàng)祖豐,湯健彬.智能儀器設(shè)計(jì)的研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].高等理科教育,2012(5)∶149-152.

[3]王平,靳雁艷,楊潔明.基于小波變換的信號(hào)奇異點(diǎn)檢測(cè)[J].機(jī)械管理開發(fā),2005(6)∶57-58.

[4]朱洪俊,秦樹人,彭麗玲.小波變換對(duì)突變信號(hào)峰值奇異點(diǎn)的精確檢測(cè)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002(12)∶10-15.

[5]吳成東,孫秋野,盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京∶人民郵電出版社,2008.

[6]姚世峰,薛德慶,等.LabVIEW與Matlab的混合編程[J].軟件技術(shù),2005(6)∶111-112.

[7]史麗紅,李斌.一種LabVIEW下信號(hào)奇異點(diǎn)檢測(cè)方法[J].電子技術(shù),2010(1)∶62-63.

Application of MATLAB in Experimental Teaching of Intelligent Instrument Course

Shi Lihong

Intelligent instrument design is a very practical course, this paper puts forward the method of MATLAB simulation, which is applied to the experimental teaching of intelligent instrument, and gives an example of simulation. Example shows the combination of programming design in software and computer hardware enriched the experimental teaching means, and making the teaching content more vivid, which not only can stimulate students’ interest in learning,but also can improve the quality of experimental teaching.

intelligent instrument; experimental teaching; MATLAB

G652

B

1671-489X(2013)12-0128-03

book=3,ebook=71