利用Python語(yǔ)言實(shí)現實(shí)驗室自動(dòng)化

　　理解數據框的強大之處

　　為了了解使用Python和Pandas數據框的強大之處，在第16行和第17行之間增加以下代碼。

　　第A(yíng)和B行生成兩個(gè)新的數據框字段。Vout_id包含輸出電壓的理想直流設置點(diǎn)，給定實(shí)測電流和理想的零電流設置點(diǎn)(1 V)以及載重線(xiàn)。Vout_err是理想電壓與實(shí)測電壓之間的絕對誤差。

　　第D和E行在數據框中增加了Pass字段。該字段的值是一個(gè)字符串，表示是否滿(mǎn)足輸出電壓精度的假設指標±0.1%。在圖3中， 您可看到保存的CSV文件在Excel中的情況。神奇的是：數字數據和文本位于相同表格中，甚至根據數據框字段的名稱(chēng)自動(dòng)生成了表頭。

圖3. 包含測量結果的CSV文件截屏

　　利用Pyplot分析數據以及繪制圖表

　　利用上一節介紹的代碼片段，我們可以確定輸出電壓是否在其理想值附近的“允差”帶內。我們通過(guò)本實(shí)驗還能夠獲得另一個(gè)感興趣的信息：載重線(xiàn)的準確值，也就是VOUT-vs-IOUT曲線(xiàn)的斜率。如果您不記得如何對采集的數據進(jìn)行線(xiàn)性擬合，也不必擔心：Python也有一個(gè)執行該操作的函數。只需在腳本最后插入以下代碼：

　　第A(yíng)行從Scipy的Stats模塊中導入一個(gè)方法。在第B行中，我們將欲擬合點(diǎn)的X和Y坐標傳遞給linregress方法。最后，在第C和D行中將結果打印到終端。Linregress以數字形式返回多個(gè)結果，斜率保存在索引0，截斷點(diǎn)在索引1?？捎玫钠渌畔⒂邢喔上禂岛凸烙嬛档臉藴什?。

　　對于如此小的數據集(20個(gè)點(diǎn))，完全可以使用Excel生成曲線(xiàn)圖。利用三行代碼示例可了解在Python中如何完成這項工作：只需將其增加到上述腳本的末尾(plot方法的‘ro’參數表示我們希望使用紅色圓點(diǎn)標記)：

　　Pyplot是Python的Matplotlib庫的一個(gè)模塊，包括大量繪制圖形的方法。更好的是，這些方法幾乎與MATLAB的方法完全相同。圖4所示為這三行代碼所產(chǎn)生的結果。窗口和圖形由Pyplot自動(dòng)生成，看起來(lái)好像“憑空”出現在終端窗口中。

圖4. 表示采集數據的圖形曲線(xiàn)

　　Python是實(shí)現實(shí)驗室配置自動(dòng)化的上佳之選，簡(jiǎn)單易用、容易理解，以及具有極高的靈活性和強大功能， 能夠省去繁瑣的測量時(shí)間。LabVIEW并沒(méi)有消失，仍然是GUI王者。一般而言，我認為LabVIEW更適合需要精細圖形界面并且不需要執行復雜循環(huán)或數據處理的應用。例如，我仍然使用LabVIEW設計大多數面向客戶(hù)的應用程序，這些程序一定要漂亮，但很少有多么復雜。但對于其他應用和自動(dòng)化需求，Python現在是我的首選。

　　側欄：“Python是什么以及如何使用?”

　　Python是一種解析式、面向對象、高級編程語(yǔ)言，采用動(dòng)態(tài)語(yǔ)義。自1991年首次發(fā)布以來(lái)，Python的應用越來(lái)越普及，現在被廣泛用于各種應用;是主流大專(zhuān)院校和網(wǎng)絡(luò )課程中最常用的教學(xué)編程語(yǔ)言之一。Python成為“第一門(mén)”編程語(yǔ)言的原因在于其簡(jiǎn)單、容易學(xué)習的語(yǔ)法和可讀性(有人說(shuō)它“用淺顯的英文在編程”)， 是通用性和功能性的完美結合。

　　然而，不要認為Python“僅僅”是一種很好的教學(xué)或學(xué)院派編程語(yǔ)言，不適合或很少適合專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應用。相反，Python被許多頂尖的公司大量用于網(wǎng)絡(luò )應用和數據分析，例如Google、Yahoo和NASA。它是一門(mén)對于快速開(kāi)發(fā)極具吸引力的編程語(yǔ)言，可用于實(shí)現復雜電子儀器的自動(dòng)化，使數據采集的效率更高。

　　Python的優(yōu)勢不僅限于使用簡(jiǎn)單。Python腳本可在任何主流操作系統上跨平臺運行，只需安裝Python解析器即可。Python的功能也極其強大，被廣泛用于數據分析和復雜的數學(xué)運算。

　　為什么選擇Python來(lái)實(shí)現實(shí)驗室自動(dòng)化?我實(shí)施的大多數測試配置都相當簡(jiǎn)單：任務(wù)中95%的時(shí)間是在不同時(shí)間點(diǎn)測量一個(gè)或多個(gè)信號(例如電壓、電流或溫度)，或者利用一組自變量產(chǎn)生另一組值。實(shí)現以上要求也只不過(guò)是循環(huán)操作自變量、采集信號，并最終保存數據供進(jìn)一步分析。Python簡(jiǎn)單直觀(guān)、沒(méi)有嚴格的語(yǔ)法限制，并且提供方便、實(shí)用的庫，很容易實(shí)現以上目的。

　　此外，Python腳本非常容易修改。如果您隨后確定通過(guò)兩個(gè)自變量來(lái)采集信號而不是一個(gè)自變量，那么需要做的僅僅是將之前設計的循環(huán)嵌套到另一個(gè)循環(huán)之內?？赡苤恍鑾仔行麓a即可解決這一問(wèn)題。得益于Python的高度可讀性，您很容易修改其他人編寫(xiě)的腳本(對于LabVIEW應用程序，我往往很害怕這么做)。

　　隨著(zhù)復雜度的增加，編程語(yǔ)言具有圖形語(yǔ)言無(wú)可比擬的優(yōu)勢。Python在數學(xué)運算和數據分析方面非常優(yōu)秀，被數據科學(xué)工作者廣泛用于從龐大、復雜的數據中析取趨勢。許多人習慣依賴(lài)MATLAB進(jìn)行復雜的數據分析。實(shí)際上，Python是MATLAB的優(yōu)秀替代品(并且免費)，因為它提供了大量兼容MATLAB的庫(如本文末尾的例子所示)。我往往首選Python over Excel進(jìn)行圖形繪制，除非圖形真的非常簡(jiǎn)單并且數據庫較小。如果您對使用Python進(jìn)行數據分析感興趣，我推薦Wes McKinney (O'Reilly Media)編寫(xiě)的“Python for Data Analysis”(利用Python進(jìn)行數據分析)，或者參加Udacity的免費在線(xiàn)課程““Intro to Data Science”(數據科學(xué)入門(mén))。

　　如果您已經(jīng)使用過(guò)某種編程語(yǔ)言，那么您對我以上介紹的內容不會(huì )存在任何問(wèn)題，但您可能還不理解Python如何與實(shí)驗室儀器通信。不用擔心，也有一個(gè)庫負責完成這項工作：PyVISA是一個(gè)非常容易使用的封裝庫，支持Python腳本連接到GPIB、RS232、USB以及以太網(wǎng)接口的儀器。

　　LabVIEW仍然是采用用戶(hù)友好的GUI設計應用程序的最佳選擇，過(guò)程沒(méi)有Python這么簡(jiǎn)單直接，但也不是特別困難。我選擇GUI工具往往是PyQT。如果您有興趣了解這方面的內容，請參考Mark Summerfield (Pearson/Prentice Hall)編寫(xiě)的“Rapid GUI Programming with Python and QT”(利用Python和QT快速GUI編程)。

　　如果您希望學(xué)習Python，我建議參加大規模開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )課程(MOOC)，例如Udacity、Coursera或Udemy。入門(mén)級的編程課程往往是免費的，由該領(lǐng)域最好的工程師和講師授課。Python只需極少的配置和淺顯的學(xué)習，所以您在不到一天時(shí)間內就能夠寫(xiě)出有用的程序。

　　Mac和Linux用戶(hù)會(huì )發(fā)現終端中已經(jīng)可以使用Python，只需使用諸如pip等軟件包管理系統安裝更多的庫即可。對于Windows用戶(hù)，我推薦安裝Python(x,y)，該軟件包中包含了面向科學(xué)的Python版本，提供了您可能需要的所有庫。我一般也安裝IPython，這是一款命令解析器(shell)，允許在Python中執行交互式運算，使得開(kāi)發(fā)新應用程序更簡(jiǎn)單。

　　[側欄結束]

　　作者簡(jiǎn)介

　　作者：Fabrizio Guerrieri，博士，技術(shù)團隊資深成員，Maxim Integrated

　　Fabrizio Guerrieri是Maxim Integrated公司技術(shù)團隊的資深成員，是一名自成一統的全能型電氣工程師，在從IC設計到高級語(yǔ)言編程及產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域都具有專(zhuān)業(yè)的知識和豐富的經(jīng)驗。Fabrizio擁有意大利米蘭理工大學(xué)(Politecnico di Milano)電子工程博士學(xué)位。

　　--關(guān)鍵詞：Python，實(shí)驗室自動(dòng)化，Maxim，LabVIEW，圖形用戶(hù)界面，GUI，零下垂穩壓器，下垂穩壓器，載重線(xiàn)，Chroma 63201，Agilent 34970A