用Matlab和VB實(shí)現光學(xué)實(shí)驗仿真系統的開(kāi)發(fā)

　　0 引 言

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和教育教學(xué)現代化的需要，計算機正逐漸走進(jìn)學(xué)校，走進(jìn)課堂。計算機輔助教學(xué)以其靈活、生動(dòng)、形象、鮮明的文字、聲音、圖形和動(dòng)畫(huà)等豐富多彩的表現形式，使物理實(shí)驗教學(xué)內容化難為易。計算機輔助教學(xué)的出現改變了傳統的實(shí)驗教學(xué)的模式，促進(jìn)教師教育觀(guān)念的轉變，通過(guò)人機交互、信息共享，拓展了學(xué)生的視野，很好地培養了學(xué)生創(chuàng )造性思維能力。

　　將計算機仿真技術(shù)用于光學(xué)實(shí)驗教學(xué)，不受實(shí)驗儀器和實(shí)驗場(chǎng)所的限制，可以通過(guò)改變實(shí)驗參數獲得不同的實(shí)驗結果，方便教師課堂演示，使課堂教學(xué)內容形象化，表現手段多樣化，創(chuàng )造一個(gè)生動(dòng)活潑的學(xué)習氛圍，讓學(xué)生能夠結合形象的實(shí)驗現象更加深刻理解光學(xué)理論。開(kāi)發(fā)光學(xué)實(shí)驗的仿真模擬系統，并將其運用到物理光學(xué)的教學(xué)和實(shí)驗當中，可以進(jìn)一步提高大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)的現代化水平。

　　但是，由于光學(xué)實(shí)驗理論的復雜性、高水平仿真圖像和人性化仿真界面的要求，目前國內融合光學(xué)實(shí)驗的仿真系統開(kāi)發(fā)還不多見(jiàn)。在此以VB為界面平臺，Mat-lab強大的繪圖、計算功能為基礎，解決了VB和Mat-lab的接口技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了光學(xué)實(shí)驗的仿真系統，并用于輔助實(shí)驗教學(xué)。

　　1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇及技術(shù)

　　Visual Basic是由微軟公司開(kāi)發(fā)的可視化編程語(yǔ)言之一，簡(jiǎn)單易學(xué)而且功能豐富，能夠迅速有效地編制優(yōu)良的可視化界面。Matlab是美國MathWorks公司推出的交互式、面向對象的程序設計語(yǔ)言，擅長(cháng)處理數值計算和系統模擬仿真。但是Matlab程序的執行速度比較慢，而且在界面設計方面遠遠比不上VB，VC等軟件。鑒于二者各自的優(yōu)勢，通過(guò)VB和Matlab的接口技術(shù)將VB功能強大的可視化界面與Matlab的繪圖功能結合起來(lái)，實(shí)現二者混合編程，即可開(kāi)發(fā)出模擬光學(xué)實(shí)驗的軟件。

　　VB調用Matlab一直是一個(gè)難題，可以通過(guò)ActiveX自動(dòng)化技術(shù)或Matlab的COM Builder技術(shù)實(shí)現。但是利用ActiveX時(shí)會(huì )在后臺啟動(dòng)一個(gè)Matlab進(jìn)程，不能脫離Matlab環(huán)境，而且實(shí)時(shí)性差;通過(guò)COMBuilder技術(shù)雖然可以脫離Matlab環(huán)境，但是一些工具箱函數還是無(wú)法編譯，有一定的局限性，這兩種方法都難以滿(mǎn)足軟件開(kāi)發(fā)的要求。這里利用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫方法實(shí)現了在VB中調用Matlab。

　　利用動(dòng)態(tài)鏈接庫方法也就是將Matlab的M一文件轉變成為VB可以調用的DLL文件，從而實(shí)現VB對Matlab的調用。具體過(guò)程如下：

　　(1)利用Matlab編寫(xiě)函數，并保存為M一文件。利用Matcorn4..5軟件將其編譯為DLL文件，同時(shí)還會(huì )自動(dòng)生成在VB中聲明DLL的模塊文件.bas文件和.cls文件。

　　(2)把DLL文件拷貝到VB工程目錄或者是系統目錄systera32下，并用上面生成的.bas文件聲明。

　　(3)把生成的.cls文件添加到VB的公共模塊中。

　　(4)在VB中引入MaxtrixVB庫作為與DLL的接口代理，Matlab編寫(xiě)的函數就可以在VB中直接應用。利用DLL技術(shù)能夠實(shí)現VB對Matlab的調用，這種方法可以方便地在自己開(kāi)發(fā)的應用軟件中嵌入Mat-lab軟件的功能，實(shí)現自己的運算及圖像顯示。

　　2 系統設計

　　2.1 主體界面及設計思路

　　在實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習過(guò)程應該是主動(dòng)、自主學(xué)習的過(guò)程。本軟件的設計思想在于創(chuàng )立友好的人機交互界面，方便的仿真系統，開(kāi)發(fā)面向學(xué)生、直觀(guān)、易于操作的輔助實(shí)驗教學(xué)軟件。在設計上，用一個(gè)主目錄窗體界面將主要的光學(xué)實(shí)驗整合在一起，這部分設計以文本屬性、窗體的鏈接為主，軟件主窗體如圖1所示。

　　2.2 詳細設計說(shuō)明

　　在各光學(xué)實(shí)驗的具體模擬中，每個(gè)光學(xué)實(shí)驗的模擬都含預習評價(jià)、實(shí)驗內容、數據處理、思考練習等部分，同時(shí)還有實(shí)驗擴展、技術(shù)應用等版塊，方便老師和學(xué)生查閱、練習，提高學(xué)生的創(chuàng )新能力。

　　以仿真模擬光柵衍射實(shí)驗為例介紹開(kāi)發(fā)光學(xué)實(shí)驗仿真模擬系統的過(guò)程。

　　3 光柵衍射實(shí)驗的模擬

　　3.1 光柵衍射實(shí)驗的數學(xué)模型

　　設λ為入射光波長(cháng);α為光柵上每一透光狹縫的寬度;d為光柵常數;φ為衍射角。一般光柵與光屏的距離D遠大于衍射條紋在光屏上偏離光屏中心的距離ys，因此有：

　　sinφ△～y/D

　　光柵衍射可以看作是N個(gè)相干光形成的縫間干涉和單縫衍射共同作用的結果。對于光屏上任一點(diǎn)P的光強度，等于N個(gè)相干光在該點(diǎn)產(chǎn)生的干涉光強度與寬度為a的單縫夫朗和費衍射在該點(diǎn)產(chǎn)生的光強度的乘積，其強度可表示為：

　　其中：I0為屏中心的最大光強;[(sin a)/a]2為單縫衍射因子;(sin Nβ/sinβ)2。為多光束干涉因子;a=πa/λsinφ;β=πd/λsinφ。

　　3.2 編寫(xiě)Matlab程序

　　根據光柵衍射實(shí)驗的數學(xué)模型，在Matlab環(huán)境下編寫(xiě)光柵衍射實(shí)驗的raster.m函數文件。raster.m程序清單如下：

　　3.3 將Matlab程序轉化為DLL文件

　　用Matcorn4.5將M一文件轉化成DLL的操作步驟如下：

　　(1)啟動(dòng)運行Matcom，點(diǎn)擊菜單File/(20mpile todll，選擇要寫(xiě)好的raster.m文件。

　　(2)點(diǎn)擊OK。這時(shí)在對應的I)ebtlg目錄下，有許多編譯生成的文件。在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境中需要用的文件有3個(gè)：raster.dll(DLL文件)、raster.bas(聲明DLL的模塊文件)、raster.cls(VB調用DLL的接口)。

　　3.4 在VB中調用DLL文件

　　(1)界面設計。在VB中新建一個(gè)工程，新建窗體。在窗體中添加控件并設置各控件的屬性(如圖2所示)。然后，通過(guò)編寫(xiě)簡(jiǎn)單程序建立文本框和相應滾動(dòng)條之間的聯(lián)系。

　　(2)導入MaxtrixVB庫和DLL文件。為了能適應Matlab強大的矩陣運算功能，還必須將MaxtrixVB庫加入到工程中，過(guò)程為：點(diǎn)擊菜單Project，選擇Ref―erence，在Reference對話(huà)框中復選Mmatrix，點(diǎn)擊0K。

　　將raster.bas和raster.cls加入到工程中，將生成的raster.dll文件拷貝到System32目錄下。這樣就可以用raster.bas聲明raster.dll，并通過(guò)mymfile.cls建立VB調用raster.dll的接口。

　　(3)主要程序代碼設計

　　(4)調試通過(guò)，設置參數后可以看到如圖2所示的效果。在VB中將程序生成可執行文件，再把相關(guān)的文件一起打包，制作成安裝包，就可以脫離VB和Matlab而單獨安裝使用。

　　4 結 語(yǔ)

　　用動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL方法成功實(shí)現了VB和Matlab的接口編程，并生成可執行程序，可以脫離VB和Mat―lab的環(huán)境單獨運行。這樣也隱藏了程序源代碼，提高了程序的保密性。開(kāi)發(fā)出基本光學(xué)實(shí)驗的模擬系統，實(shí)現了在實(shí)驗室做不出的實(shí)驗效果演示。該集成的光學(xué)實(shí)驗仿真系統可實(shí)現圖像的動(dòng)態(tài)顯示，隨入射光波長(cháng)的實(shí)時(shí)改變動(dòng)態(tài)顯示光強分布的圖像，較為逼真。實(shí)驗窗口中的圖像可以由實(shí)驗者調試為單獨顯示模式，故而方便了實(shí)驗者對光學(xué)圖像的存儲。本套光學(xué)實(shí)驗仿真系統已經(jīng)在中南大學(xué)物理實(shí)驗室初步投入使用，彌補了光學(xué)實(shí)驗在此方面的空缺，提高了教學(xué)質(zhì)量。而且還將提供給其他高校物理實(shí)驗室，輔助光學(xué)實(shí)驗教學(xué)。