MATLAB在智能仪器实验教学中的应用
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摘 要 智能仪器设计是一门实践性很强的课程。提出将matlab仿真应用于智能仪器实验教学的方法，并给出仿真实例。示例展示出软件的编程设计，与计算机硬件相结合，丰富了实验教学手段，使教学内容更形象直观，既能激发学生的学习兴趣，又能提高实验教学质量。
关键词 智能仪器；实验教学；MATLAB
中图分类号：G652 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2013）12-0128-03
1 引言
随着经济和科技的快速发展，智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、应用功能等方面，还是在解决测试技术问题的深度和广度方面，都有了巨大的提高。并且，凭借其强大的功能、优越的性能而被广泛应用于自动化技术、军事、航空等领域。
智能仪器课程是测控技术与仪器类专业的一门主干课程，它集技术性、工程性和实践性于一体，是一门涉及传感器、电子技术、自动控制、数据分析与处理、可靠性和抗干扰技术等多门学科的现代综合课程。该课程的开设可以帮助学生了解电子仪器技术发展的最新动向，掌握智能仪器的设计思想和维护方法，为未来的工作打下坚实的基础。
2 课程的教学目的及现状分析
智能仪器课程要求学生主要掌握以下几个方面的内容：
1）微机内嵌式智能仪器和个人计算机仪器的基本结构及工作原理；
2）多种类型信号的数据采集方法和数据处理算法；
3）智能仪器的设计思想；
4）抗干扰的软硬件技术；
5）对仪器的高级智能化、网络化、虚拟化等新发展有一定了解[1]。
本课程在课堂教学中通常教偏重于知识的传授，其覆盖面比较小，从而导致学生的知识面较窄，动手能力不足。在实践方面，测控专业的实验侧重硬件设计，但是大部分硬件电路实验仍然是围绕课程知识的验证性实验，缺少综合性和设计性[1]。并且，由于智能仪器的技术性强、更新速度快，导致该课程的实验无法及时跟上现代微电子技术等方面的发展，这些因素客观上限制了学生实践创造力的发挥。
随着半导体技术的发展与普及，软件硬化的趋势也越发明显，大量的控制、运算任务可以借助软件来实现，从而出现电子信息专业中基于LabVIEW的虚拟仪器开发和设计实验项目。采用软件设计仪器，可大大减少硬件耗材的投入[1]。智能仪器的软件设计是仪器的重要部分[2]，从实验内容尽量接近工程应用实践的要求出发，本文提出将虚拟仪器技术MATLAB仿真应用于智能仪器的实践教学手段。
MATLAB作为国际控制领域内最流行的计算机辅助设计软件，具有强大的数据处理能力，并且能够实现对硬件设备的控制。同时，MATLAB的应用为学生搭建了一个创新的实验平台，对于增加学习兴趣也有很大帮助。
在实验室中，通常用传感器和插入式数据采集卡构成各种测量系统进行虚拟仪器的开发，实现各种物理量的测量功能。然而由于测量环节容易受到周围环境的影响出现检测故障，比如信号突变，从而给实际测量结果带来误差。下面以信号奇异点定位为例，来说明MATLAB在智能仪器数据处理实验项目中的应用。
3.1 基本原理分析
在动态系统中，信号突变是很快的。突变的信号在时间和空间上存在局部的变化[3]。根据信号变化的速度，可以对其进行多尺度分析，当出现奇异点时，信号小波变换后的系数具有模极大值，因此可以通过检测模极大值点来确定故障发生的时间点[4]。
具体实现是通过LabVIEW MathScript调用MATLAB中的小波函数，对信号进行分解，得到每层的细节信号，进而确定奇异点位置。
3.2 算法的实现
如图1所示，首先通过LabVIEW仿真生成含有奇异点的低频缓变信号，在虚拟仪器的前面板中设置信号提取处理的参数；然后通过接口LabVIEW MathScript将参数传递给MATLAB中的小波函数，实现奇异点检测与消除；最后将结果回传给LabVIEW并进行显示[5]。
采用db3小波对信号进行5级分解的MATLAB程序如下所示：
[c，l]=wavedec（s，5，’db3’）；
a5=wrcoef（‘a’，c，l，’db3’，5）；
a4=wrcoef（‘a’，c，l，’db3’，4）；
a3=wrcoef（‘a’，c，l，’db3’，3）；
a2=wrcoef（‘a’，c，l，’db3’，2）；
a1=wrcoef（‘a’，c，l，’db3’，1）；
d5=wrcoef（‘d’，c，l，’db3’，5）；
d4=wrcoef（‘d’，c，l，’db3’，4）；
d3=wrcoef（‘d’，c，l，’db3’，3）；
d2=wrcoef（‘d’，c，l，’db3’，2）；
d1=wrcoef（‘d’，c，l，’db3’，1）；
s0=a5+d5+d4；
3.3 运行结果的可视化
为了加深学生的理解和记忆，可将运行结果在LabVIEW的前面板中显示出来，实现运行结果的可视化。如图2所示，从“原始信号波形图”中可以明显地看出，在t=45和t=75两处存在奇异点。
该实验中选择db3小波对信号进行分解，得到1～5层的细节信号。可以看出，在细节图d1、d2和d3中均包含有奇异点，并且与原始信号中的奇异点是同步的。
在重构信号时，分别对信号d1、d2和d3置零，即脚本程序中的“s0=a5+d5+d4”，可以得到图2中的“奇异点消除”的信号波形。对比“原始信号波形图”和“奇异点消除信号波形图”可以看出，奇异值点已经很不明显了[7]。
4 结语
课程实践教学对学生设计智能仪器仪表有很大帮助，由于时间有限，硬件系统的设计几乎不可能，因此，基于编程实现一些局部功能是现实的。本文通过举例实现对智能仪器课程实验中引入MATLAB的尝试，在教学实践过程中取得较好的教学效果。该方法从先进性、可靠性、安全性、实验综合性等诸多方面都可以满足现在智能仪器设计课程的教学。然而教学方法的改进是永无止境的，为培养适应社会需求的技术人才，还要不断在实践中积累总结经验，进一步改进教学方法，提高教学质量，达到提高学生分析问题、解决问题的能力及增强创新能力的培养目标。
参考文献
[1]刘献如.智能仪器课程教学改革探索[J].计算机教育，2010（19）：45-47.
[2]殷建军，项祖丰，汤健彬.智能仪器设计的研究型教学实验系统研究[J].高等理科教育，2012（5）：149-152.
[3]王平，靳雁艳，杨洁明.基于小波变换的信号奇异点检测[J].机械管理开发，2005（6）：57-58.
[4]朱洪俊，秦树人，彭丽玲.小波变换对突变信号峰值奇异点的精确检测[J].机械工程学报，2002（12）：10-15.
[5]吴成东，孙秋野，盛科.LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[6]姚世峰，薛德庆，等.LabVIEW与Matlab的混合编程[J].软件技术，2005（6）：111-112.
[7]史丽红，李斌.一种LabVIEW下信号奇异点检测方法[J].电子技术，2010（1）：62-63.