MATLAB在智能儀器實驗教學中的應用

史麗紅

曲阜師范大學電氣信息與自動化學院 山東日照 276826

MATLAB在智能儀器實驗教學中的應用

史麗紅

曲阜師范大學電氣信息與自動化學院 山東日照 276826

智能儀器設計是一門實踐性很強的課程。提出將MATLAB仿真應用于智能儀器實驗教學的方法，并給出仿真實例。示例展示出軟件的編程設計，與計算機硬件相結合，豐富了實驗教學手段，使教學內容更形象直觀，既能激發學生的學習興趣，又能提高實驗教學質量。

智能儀器；實驗教學；MATLAB

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

作者：史麗紅，講師，主要從事自動檢測及控制教學與研究。

1 引言

隨著經濟和科技的快速發展，智能儀器無論是在測量的準確度、靈敏度、可靠性、應用功能等方面，還是在解決測試技術問題的深度和廣度方面，都有了巨大的提高。并且，憑借其強大的功能、優越的性能而被廣泛應用于自動化技術、軍事、航空等領域。

智能儀器課程是測控技術與儀器類專業的一門主干課程，它集技術性、工程性和實踐性于一體，是一門涉及傳感器、電子技術、自動控制、數據分析與處理、可靠性和抗干擾技術等多門學科的現代綜合課程。該課程的開設可以幫助學生了解電子儀器技術發展的最新動向，掌握智能儀器的設計思想和維護方法，為未來的工作打下堅實的基礎。

2 課程的教學目的及現狀分析

智能儀器課程要求學生主要掌握以下幾個方面的內容：

1）微機內嵌式智能儀器和個人計算機儀器的基本結構及工作原理；

2）多種類型信號的數據采集方法和數據處理算法；

3）智能儀器的設計思想；

4）抗干擾的軟硬件技術；

5）對儀器的高級智能化、網絡化、虛擬化等新發展有一定了解[1]。

本課程在課堂教學中通常教偏重于知識的傳授，其覆蓋面比較小，從而導致學生的知識面較窄，動手能力不足。在實踐方面，測控專業的實驗側重硬件設計，但是大部分硬件電路實驗仍然是圍繞課程知識的驗證性實驗，缺少綜合性和設計性[1]。并且，由于智能儀器的技術性強、更新速度快，導致該課程的實驗無法及時跟上現代微電子技術等方面的發展，這些因素客觀上限制了學生實踐創造力的發揮。

隨著半導體技術的發展與普及，軟件硬化的趨勢也越發明顯，大量的控制、運算任務可以借助軟件來實現，從而出現電子信息專業中基于LabVIEW的虛擬儀器開發和設計實驗項目。采用軟件設計儀器，可大大減少硬件耗材的投入[1]。智能儀器的軟件設計是儀器的重要部分[2]，從實驗內容盡量接近工程應用實踐的要求出發，本文提出將虛擬儀器技術MATLAB仿真應用于智能儀器的實踐教學手段。

3 MATLAB在智能儀器課程實驗中的應用

MATLAB作為國際控制領域內最流行的計算機輔助設計軟件，具有強大的數據處理能力，并且能夠實現對硬件設備的控制。同時，MATLAB的應用為學生搭建了一個創新的實驗平臺，對于增加學習興趣也有很大幫助。

在實驗室中，通常用傳感器和插入式數據采集卡構成各種測量系統進行虛擬儀器的開發，實現各種物理量的測量功能。然而由于測量環節容易受到周圍環境的影響出現檢測故障，比如信號突變，從而給實際測量結果帶來誤差。下面以信號奇異點定位為例，來說明MATLAB在智能儀器數據處理實驗項目中的應用。

3.1 基本原理分析

在動態系統中，信號突變是很快的。突變的信號在時間和空間上存在局部的變化[3]。根據信號變化的速度，可以對其進行多尺度分析，當出現奇異點時，信號小波變換后的系數具有模極大值，因此可以通過檢測模極大值點來確定故障發生的時間點[4]。

圖1 LabVIEW調用MATLAB小波函數原理框圖

圖2 前面板圖

具體實現是通過LabVIEW MathScript調用MATLAB中的小波函數，對信號進行分解，得到每層的細節信號，進而確定奇異點位置。

3.2 算法的實現

如圖1所示，首先通過LabVIEW仿真生成含有奇異點的低頻緩變信號，在虛擬儀器的前面板中設置信號提取處理的參數；然后通過接口LabVIEW MathScript將參數傳遞給MATLAB中的小波函數，實現奇異點檢測與消除；最后將結果回傳給LabVIEW并進行顯示[5]。

采用db3小波對信號進行5級分解的MATLAB程序如下所示：

3.3 運行結果的可視化

為了加深學生的理解和記憶，可將運行結果在LabVIEW的前面板中顯示出來，實現運行結果的可視化。如圖2所示，從“原始信號波形圖”中可以明顯地看出，在t=45和t=75兩處存在奇異點。

該實驗中選擇db3小波對信號進行分解，得到1～5層的細節信號?？梢钥闯?，在細節圖d1、d2和d3中均包含有奇異點，并且與原始信號中的奇異點是同步的。

在重構信號時，分別對信號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“奇異點消除”的信號波形。對比“原始信號波形圖”和“奇異點消除信號波形圖”可以看出，奇異值點已經很不明顯了[7]。

4 結語

課程實踐教學對學生設計智能儀器儀表有很大幫助，由于時間有限，硬件系統的設計幾乎不可能，因此，基于編程實現一些局部功能是現實的。本文通過舉例實現對智能儀器課程實驗中引入MATLAB的嘗試，在教學實踐過程中取得較好的教學效果。該方法從先進性、可靠性、安全性、實驗綜合性等諸多方面都可以滿足現在智能儀器設計課程的教學。然而教學方法的改進是永無止境的，為培養適應社會需求的技術人才，還要不斷在實踐中積累總結經驗，進一步改進教學方法，提高教學質量，達到提高學生分析問題、解決問題的能力及增強創新能力的培養目標。

[1]劉獻如.智能儀器課程教學改革探索[J].計算機教育,2010(19)∶45-47.

[2]殷建軍,項祖豐,湯健彬.智能儀器設計的研究型教學實驗系統研究[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奇異點檢測[J].機械管理開發,2005(6)∶57-58.

[4]朱洪俊,秦樹人,彭麗玲.小波變換對突變信號峰值奇異點的精確檢測[J].機械工程學報,2002(12)∶10-15.

[5]吳成東,孫秋野,盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設計及應用[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,2005(6)∶111-112.

[7]史麗紅,李斌.一種LabVIEW下信號奇異點檢測方法[J].電子技術,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