基于MATLAB GUI的波動(dòng)光學(xué)仿真平臺(tái)

張衛(wèi)山，尚劍鋒，劉雪林，劉 冰

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

1 設(shè)計(jì)原則

該仿真平臺(tái)構(gòu)建的原則是使最終的平臺(tái)具有系統(tǒng)性、交互性、實(shí)時(shí)性、保密性和實(shí)用性的特點(diǎn)。為了解決現(xiàn)在仿真項(xiàng)目單一不系統(tǒng)的問題，該平臺(tái)利用GUI設(shè)計(jì)編制了人機(jī)友好的圖形用戶界面，采用交互式動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)各物理參數(shù)對波動(dòng)光學(xué)現(xiàn)象的影響，擺脫了一個(gè)界面只能模擬一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的局限。該仿真平臺(tái)分兩大模塊，即主界面和次界面，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。在主界面中通過下拉式菜單進(jìn)入不同的次界面中，在次界面上有參數(shù)輸入?yún)^(qū)和圖像繪制區(qū)，輸入不同參數(shù)即可模擬出相應(yīng)波動(dòng)光學(xué)條紋及光強(qiáng)，改變參數(shù)可模擬出另一組圖像，與前一組可進(jìn)行觀察對比，可模擬平面圖像，也可模擬出三維光強(qiáng)圖像，此外還可從部分界面中顯示出相應(yīng)波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的器材圖片。為了使該平臺(tái)具有易操作性和便攜性，脫離龐大的MATLAB平臺(tái)運(yùn)行，提高該平臺(tái)的實(shí)用性，在項(xiàng)目的最后階段利用mcc編譯生成可脫離matlab環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，從而也提高了系統(tǒng)的保密性。

圖1 波動(dòng)光學(xué)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 圖形用戶界面的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)步驟

用Matlab GUI設(shè)計(jì)的波動(dòng)光學(xué)仿真界面，主要有以下幾個(gè)步驟：

（1）整理草圖，構(gòu)思控件的布局。打開Matlab程序，在file菜單中選擇new gui，打開guide設(shè)計(jì)界面模板，界面模板左邊各個(gè)控件可以在編輯框內(nèi)進(jìn)行編排。

（2）主界面和次界面的設(shè)計(jì)。該仿真平臺(tái)包括光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。主界面見圖2，點(diǎn)擊相應(yīng)的選項(xiàng)即可進(jìn)入下一界面，同時(shí)在部分子界面中加入相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材圖片以及繪制三維的光強(qiáng)圖像等功能，并且可以通過get（）和close（）函數(shù)隨時(shí)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化，增強(qiáng)平臺(tái)的拓展性［8］。

圖2 系統(tǒng)主界面

（3）設(shè)置各個(gè)控件的屬性。比如設(shè)置各控件的顏色、大小、文字等。

（4）代碼的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵是OpeningFcn（初始界面函數(shù)）和控件的Callback（回調(diào)函數(shù)）代碼的設(shè)計(jì)?；卣{(diào)函數(shù)是關(guān)鍵，是對界面控件觸發(fā)時(shí)的事件響應(yīng)函數(shù)［9］。

（5）mcc編譯。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的保密性以及實(shí)用性，該平臺(tái)利用mcc編譯生成可脫離matlab環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。

在進(jìn)入ADC中斷服務(wù)程序之前一定要對EV和AD初始化并打開相應(yīng)中斷，ADC中斷程序主要是處理采集的10次數(shù)據(jù)先按從小到大排列后，然后經(jīng)過中值濾波，再按獲得的增益量和偏移量來校準(zhǔn)采集的結(jié)果，最后把校準(zhǔn)后的結(jié)果保存在DSP內(nèi)部寄存器中，等待DSP讀取最后結(jié)果通過SPI總線輸出到LCD上顯示。AD轉(zhuǎn)化流程圖，如圖5所示。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.2.1 夫瑯和費(fèi)雙縫衍射實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)

本文以夫瑯和費(fèi)雙縫衍射實(shí)驗(yàn)和牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)為例，介紹其仿真界面設(shè)計(jì)過程及仿真結(jié)果。雙縫衍射實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖3所示。

圖3 夫瑯和費(fèi)雙縫衍射實(shí)驗(yàn)示意圖

設(shè)雙縫S1、S2的距離為d，屏幕到雙縫的距離為z，且z?d，則在演示屏上觀察到的光強(qiáng)分布為［10］：

其中：α＝πasinθ／λ，β＝πdsinθ／λ。

根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，在編輯框中設(shè)置相應(yīng)控件，文本框用來輸入相應(yīng)參數(shù)，坐標(biāo)軸Axes1用來顯示三維衍射強(qiáng)度曲線，另外彈出的Figure1用來顯示雙縫衍射條紋，界面可直接輸入縫的中心間距d、波長λ和雙縫到屏幕的距離z等參數(shù)。設(shè)計(jì)“繪制圖形”控件的回調(diào)函數(shù)的代碼，在界面中輸入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊“繪制圖形”控件，即可得到夫瑯和費(fèi)雙縫衍射實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 夫瑯和費(fèi)雙縫衍射實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

2.2.2 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖5所示。

圖5 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)示意圖

設(shè)輸入透鏡曲率半徑為R，光波長為λ，m級干涉條紋半徑為r則屏幕上的牛頓環(huán)光強(qiáng)分布的公式為［11］

同樣的方法設(shè)計(jì)界面，可調(diào)節(jié)的參數(shù)有：λ，R和r。在界面中輸入不同的參數(shù)可以分析比較在不同條件下的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，如圖6所示。隨著參數(shù)的變化可以看出，干涉條紋也在發(fā)生變化，變化規(guī)律與理論相吻合。還可以改變其他參數(shù)，觀察分析參數(shù)的變化對牛頓環(huán)光強(qiáng)的影響。

2.3 mcc編譯

2.3.1 編譯文件

在mcc編譯前安裝編譯器，通過在Matlab命令窗口輸入：mbuild－setup，按提示選擇 MATLAB自帶編譯器LCC，在文件路徑下命令行輸入（以牛頓環(huán)的制作為例）：mcc－mniudunhuan.m，將M文件編譯為脫離matlab環(huán)境運(yùn)行所必需的可執(zhí)行文件：niudunhuan.exe等文件。

圖6 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果

2.3.2 運(yùn)行編譯文件

在 MATLAB＼toolbox＼compiler＼deploy＼win32下找MCRInstaller.exe文件，在沒有安裝MATLAB的電腦上安裝 MCRInstaller到D：＼MATLAB Component Runtime。

設(shè)置環(huán)境變量，右鍵點(diǎn)擊我的電腦－屬性－高級－環(huán)境變量－新建。

變量名：Path

變量值：D：＼MCR＼v70＼runtime＼win32

運(yùn)行exe文件，每次都是出現(xiàn)DOS界面后，幾秒鐘會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.3.3 消除DOS黑窗口

去除獨(dú)立可執(zhí)行程序運(yùn)行時(shí)的“DOS黑窗口”時(shí)，在 MATLAB命令行輸入：cd（prefdir）和edit compopts.bat，此時(shí)compopts.bat打開，在文件 最 后 添 加：set LINKFLAGS ＝%LINKFLAGS%－subsystem windows。然后再重新生成.exe文件，運(yùn)行此文件即可消除黑色窗口界面［12］。

3 結(jié) 論

通過以上方法構(gòu)建的波動(dòng)光學(xué)仿真平臺(tái)具有界面友好、操作方便、可移植性強(qiáng)、實(shí)用性及保密性好等優(yōu)點(diǎn)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的靈活設(shè)置，為光學(xué)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個(gè)新的途徑，其理論和實(shí)際意義在于突破了教學(xué)空間、儀器設(shè)備等因素的限制，減少了實(shí)驗(yàn)損耗，把抽象的問題進(jìn)行簡明直觀的動(dòng)態(tài)展示，讓學(xué)生直觀、方便地觀察到模擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以便更好地理解理論知識，進(jìn)一步推動(dòng)了基礎(chǔ)課程教學(xué)方法的現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用。

［1］ 符運(yùn)良.MATLAB在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，10（3）：55－57.

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