LabVIEW在线性拟合与数据处理实验中的应用
2019-10-21方洵魏亚茹郑玉恒
方洵 魏亚茹 郑玉恒
摘 要：误差理论与数据处理是测控技术与仪器专业的一门专业基础课，课程的理论性强，公式繁多复杂，给学生学习该门课程造成了一定的困难.利用图形化编程语言 LabVIEW 进行实验软件的开发，将该课程实验的数据处理部分利用软件完成，使学生有更多的时间专注于误差理论和数据处理方法的理解。
关键词：LabVIEW;线性拟合;数据处理
1.LabVIEW编程开发环境介绍
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
2.软件设计实例
2.1实验原理
用最小二乘的方法，设计输出电压随废气浓度的变化关系。
2.2程序设计
给定废气浓度（X），输出电压值（Y），设计VI，实现输入压力值与输出电压值之间的最佳线性拟合直线。
2.3程序框图设计
本实验采用了LabVIEW数组函数，簇函数，创建数组，数组捆绑，XY图以及线性拟合函数来实现功能及数据计算与处理。得到数据快速且数据准确，相比于人为计算，减少了出错率，有效提高了效率。
2.4.线性拟合函数介绍
（1）输入参数
Y：是由因变值组成的数组。Y的长度必须大于等于未知参数的元素個数
X：是由自变量组成的数组。X的元素必须等于Y的元素个数。
权重：是观测点（xi，yi）的权重数组。权重的元素数必须等于Y的元素数。若权重未连线，VI将把权重的所有元素设置为1.
容差：确定使用最小绝对残差或Bisquare方法时，何时停止斜率和截距的迭代调整。对于最小绝对残差方法，若两次连续的交互之间残差的相对差小于容差，该VI将返回结果残差。对于Bisquare方法，若两次连续的交互之间斜率的和截距的相对差小于容差，该VI将返回斜率和截距。若容差小于等于0，VI将设置容差为0.0001。
方法：指定拟合方法。有3种方法可选择：最小二乘（默认），最小绝对残差，Bisquare。
参世界限：包含斜率和截距的上、下限。若知道特定参数的值，可设置参数的上、下限为该值。
（2）输出参数
最佳线性拟合：返回拟合模型的Y值。
斜率：返回拟合模型的斜率。
截距：返回拟合模型的截距。
残差：返回拟合模型的加权平均值。若方法设置为最小绝对残差值，则残差为加权平均绝对误差;否则残差为加权均方误差。
3.结语
本实验是基于LabVIEW编程环境对误差与数据处理的，同样在其他编程环境上可实现，例如MATLAB与C语言。但相比于其他编程环境，LabVIEW则具有独特的优势，LabVIEW操作更为简单，结果更加形象，效率更为高效。只需对相关图标的端口进行连线，捆绑等操作，点击运行，即可完成大量繁复程序工作，结果可同时用数据与图形图表呈现，易于理解。
在误差理论与数据处理的教学改革中，LabVIEW编程环境能够实现高效的编译，是一款教育与学习的有力工具。
参考文献：
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[4] 张重雄，张思维. 虚拟仪器技术分析与设计（第三版）. 北京：电子工业出版社， 2017
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