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MATLAB在智能仪器实验教学中的应用 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 术发展的必威体育精装版动向， 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勺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 件设计是仪器勺重要部分 [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 能仪器勺实践教学手段。 3 MATLAB在智能仪器课程实验中的应用 MATLA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勺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MATLA在智能仪器数据处理实验项目中的应用。 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LabVIEWMathScript调用MATLAB^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。 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 LabVIEWMathScript 将参数传递给 MATLAB^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MATLABS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 a2=wrcoef (‘ a， c，l a1=wrcoef (‘ a， c，l d5=wrcoef (‘ d， c，l d4=wrcoef (‘ d， c，l d3=wrcoef (‘ d， c，l d2=wrcoef (‘ d， c，l d1=wrcoef (‘ d， c，l s0=a5+d5+d4； 3.3 运行结果的可视化 db3 db3， 3）； db3， 2）； db3， 1）； db3， 5）； db3， 4）； db3， 3）； db3， 2）； db3， 1）； 可将运行结果在LabVIEW的前 2 所示，从“原 在 t=45 和 t=75 两处存在奇该实验中选择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 di、 在 t=45 和 t=75 两处存在奇 并且与原始信号中的奇