LabVIEW在線性擬合與數據處理實驗中的應用

方洵 魏亞茹 鄭玉恒

摘 要：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，公式繁多復雜，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。

關鍵詞：LabVIEW;線性擬合;數據處理

1.LabVIEW編程開發環境介紹

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC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使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產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，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，等等。LabVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等等，便于程序的調試。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而 LabVIEW 則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

2.軟件設計實例

2.1實驗原理

用最小二乘的方法，設計輸出電壓隨廢氣濃度的變化關系。

2.2程序設計

給定廢氣濃度（X），輸出電壓值（Y），設計VI，實現輸入壓力值與輸出電壓值之間的最佳線性擬合直線。

2.3程序框圖設計

本實驗采用了LabVIEW數組函數，簇函數，創建數組，數組捆綁，XY圖以及線性擬合函數來實現功能及數據計算與處理。得到數據快速且數據準確，相比于人為計算，減少了出錯率，有效提高了效率。

2.4.線性擬合函數介紹

（1）輸入參數

Y：是由因變值組成的數組。Y的長度必須大于等于未知參數的元素個數

X：是由自變量組成的數組。X的元素必須等于Y的元素個數。

權重：是觀測點（xi，yi）的權重數組。權重的元素數必須等于Y的元素數。若權重未連線，VI將把權重的所有元素設置為1.

容差：確定使用最小絕對殘差或Bisquare方法時，何時停止斜率和截距的迭代調整。對于最小絕對殘差方法，若兩次連續的交互之間殘差的相對差小于容差，該VI將返回結果殘差。對于Bisquare方法，若兩次連續的交互之間斜率的和截距的相對差小于容差，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），最小絕對殘差，Bisquare。

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

（2）輸出參數

最佳線性擬合：返回擬合模型的Y值。

斜率：返回擬合模型的斜率。

截距：返回擬合模型的截距。

殘差：返回擬合模型的加權平均值。若方法設置為最小絕對殘差值，則殘差為加權平均絕對誤差;否則殘差為加權均方誤差。

3.結語

本實驗是基于LabVIEW編程環境對誤差與數據處理的，同樣在其他編程環境上可實現，例如MATLAB與C語言。但相比于其他編程環境，LabVIEW則具有獨特的優勢，LabVIEW操作更為簡單，結果更加形象，效率更為高效。只需對相關圖標的端口進行連線，捆綁等操作，點擊運行，即可完成大量繁復程序工作，結果可同時用數據與圖形圖表呈現，易于理解。

在誤差理論與數據處理的教學改革中，LabVIEW編程環境能夠實現高效的編譯，是一款教育與學習的有力工具。

參考文獻：

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

[2] 張世英，劉智敏. 測量實踐的數據處理. 北京： 科學出版社， 1977

[3] 雷振山. ?LabVIEW 7 Express實用技術教程[M]. 北京：北京鐵道出版社，2004

[4] 張重雄，張思維. 虛擬儀器技術分析與設計（第三版）. 北京：電子工業出版社， 2017

[5] 楊樂平，李海濤，楊磊. LabVIEW程序設計與應用. 北京：電子工業出版社，2005