虚拟仪器技术在误差理论与数据处理中的应用
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摘 要：误差理论与数据處理作为测控技术与仪器专业的专业课程有着理论性和工程实践需求性强的特点，这迫切需要针对性强的实验来增强本专业学生对误差与数据处理知识的理解及其在工程实践中的应用认识。针对这样的需求，设计了一种基于虚拟仪器的实验系统，利用对图像数据的处理来反馈控制多电机协同控制实现清晰图像的获取，通过该实验系统将误差的基本认识、分析和数据处理知识与实际应用结合起来，提高学生对误差和数据处理的认识同时强化理论与实践的结合。
关键词：误差理论与数据处理;工程实践;理实结合
中图分类号：TH70 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）09-0184-03
Abstract： "Error Theory and Data Processing"， as a professional course of measurement and control technology and instrument， has the characteristics of strong theoretical and demand of engineering practice， which urgently needs certain experiments to enhance the students' understanding of error and data processing and their application in engineering practice. In order to meet this demand. For this purpose， an experimental system based on virtual instrument is designed， which uses image data processing to control multi-motor to achieve clear image acquisition. Through this experimental system， the basic knowledge， analysis and data processing knowledge of error are combined with practical application， so as to improve students' understanding of error and data processing and strengthen theory and practice at the same time.
Keywords： Error Theory and Data Processing; engineering practice; combination of theory and practice
误差理论与数据处理作为测控技术与仪器专业的核心课程之一，是电子测量技术、智能仪器技术等课程的重要基础，是开展科学研究和工程实践的重要支撑[1-4]。本课程知识的掌握情况直接影响学生后续专业课程的学习，并将对其今后从事的电子测量、智能仪器测试、精密检测等工作产生持续深远的影响[5]。作为重要的专业课之一本课程有着课程理论性强和课程对工程实践需求性高的特点，课程的特点使得学生学习过程中理解上存在较多的困难，同时缺少针对性强的工程案例结合理解，从而极大地影响了教学效果，限制着学生在实际工程应用中的误差分析和数据处理能力，进而影响学生创新实践能力，无法适应当前背景下新工科建设对人才能力的需求。因此迫切需要在课程专业知识开展学习的同时进行针对性强的实践性项目强化学生对理论知识的理解，深入结合理论知识与工程实践。
误差理论与数据处理课程中实验设计通常是在假定测量数据的基础上利用课程里介绍的相关知识开展误差分析和数据处理等任务以实现理论与实践相结合地教学[6]，这种做法主要在仿真层面上让学生认识了误差和数据处理方法，但难以从工程需求实际入手，从数据采集、误差分析和处理层面让学生有工程性的认识，针对这种不足，设计了一种基于虚拟仪器的实验系统，该系统将测控技术与仪器专业应用极为广泛的LabVIEW软件引入作为系统开发平台，通过图像的采集和相应的数据处理来控制电机的运动，实现一种满足特定清晰度成像的系统。通过该实验系统强化学生对数据采集、误差分析和数据处理的认识以及锻炼学生理论与工程实践相结合的能力。
1 系统设计
以锻炼学生进一步认识数据采集、误差和数据处理和强化理论与工程应用能力为目的，设计了一种虚拟仪器平台下在电机带动镜头运动下，利用图像数据采集和对采集数据进行处理并反馈控制电机最终获得清晰图像的试验系统。该试验系统通过初始校准确定并消除（减小）系统误差的影响，然后对采集到的图像进行均值计算得到图像的平均值以消除随机性带来的误差，进一步利用图像清晰度函数等相关数据计算得到对应位置图像的清晰度信息，利用清晰度信息反馈控制电机，进一步使得镜头向清晰度高的位置运动，消除或进一步减小误差。系统设计示意图如图1。
系统设计包括上位机的LabVIEW软件设计和硬件平台构建，通过软硬件的协同设计锻炼学生系统认识，同时加强对误差以及数据处理在工程实践中的应用理解。
2 硬件设计
硬件部分包括整体框架、传动、电机等，采用如下的方案：
（1）通过步进电机来调节CMOS成像的中心点对齐目标板中心，以消除或减小系统误差地影响。
（2）通过ELVISII采集板卡来控制步进电机的运动，获取清晰图像，消除或减小清晰度误差。 （3）使用USB摄像頭进行图像采集，再选取合适的图像清晰度函数来评价图像质量。
3 软件设计
本系统基于虚拟仪器框架，其控制终端利用G语言LabVIEW来编写。该软件具可视化的图形编程特点，由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器建立联系比较容易实现，同时LabVIEW是测控技术与仪器专业中应用极为广泛的工具软件，所以利用其构建实验系统的上位机。上位机软件以成像为目标主要调焦（自动和手动）、参数设置以及停止功能。主界面如下图3所示：
调焦是系统的主要环节，而自动调焦是系统应用的主要目标，利用中心点对齐，即将CMOS传感器的中心点与目标板中心对齐消除或减小系统误差的影响，便于同轴情况下调焦，调焦过程中对采集的图像数据进行处理，通过消除或减小随机误差的影响以及限制清晰度误差来实现最佳成像。其流程图如下图4：
自动调焦环节包括了图像采集过程中的数据处理，由于采集的图像受光源、机构运动不均衡、采集设备采样率和精度等随机因素的存在引入了随机噪声误差，因此需要对每组采集的图像通过多帧图像取均值的方法进行随机误差的消除，采用公式：
其中Ii表示第i帧图像，n表示本组采样采集了n帧图像。通过该处理环节锻炼学生对随机误差和消除随机误差的方法的认识，而系统误差则在初始定位时候，通过系统构建中心点校正的环节进行了认识和标定。
在图像采集并消除随机误差影响的基础上，利用了清晰度函数计算的数据处理方式，得到每一组采样对应图像的清晰度数值，利用清晰度数值与最佳数值的偏差来校正电机运动，这里的清晰度函数采用的是灰度差分绝对值之和（SMD）：
根据这个公式，使用2个while循环进行求和编写了如下图6的程序。
其自动调焦效果如图7。
通过以上过程简述所设计试验系统的相关功能，并借助试验系统的工作开展锻炼学生对具体工程实践中误差存在的形式、误差的分类、相关处理方法以及采集的各种数据的处理方式等认识和理解，通过本试验系统的构建强化学生对误差理论与数据处理相关知识的理解和具体工程案例中误差的各种认识。
4 结束语
本文以测控技术与仪器专业学生对误差理论与数据处理课程理论与工程实践相结合，强化学生对误差及数据处理认识为目的设计了一种基于虚拟仪器的试验系统，介绍了系统的设计并讨论了通过系统相应环节的学习和实验对误差认识、数据处理理解以及工程实践强化的作用，这一思路也可以扩展至其它工程设计中，为那些需要复杂计算的场合提供了一种高效快速解决问题的途径，为误差理论与数据处理这门课程的实验教学提供思路。
参考文献：
[1]徐志玲，赵玉晓，金骥，等.“误差理论与数据处理”立体化课程设计与实践[J].实验室研究与探索，2014（11）：201-204.
[2]杨洪涛.《误差理论和数据处理》课程教法初探[J].合肥工业大学学报：社会科学版，2003（5）：101-103.
[3]李成，钱政，樊尚春，等.《误差分析与数据处理》的探究式教学[J].实验科学与技术，2013（1）：83-85.
[4]罗清华，焉晓贞，彭宇，等.“误差理论与数据处理”课程研究型教学探索[J].电气电子教学学报，2016（3）：55-57.
[5]吴石林，张玘，刘国福，等.误差理论与数据处理课程课程教学改革初探[J].高等教育研究学报，2011（4）：80-81.
[6]蒋彦，朱慧玲，谢静，等.LabVIEW在误差理论与数据处理实验中的应用[J].高师理科学刊，2016，36（02）：91-93.
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