用Matlab和VB實現(xiàn)光學實驗仿真系統(tǒng)的開發(fā)

0 引 言
    隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和教育教學現(xiàn)代化的需要，計算機正逐漸走進學校，走進課堂。計算機輔助教學以其靈活、生動、形象、鮮明的文字、聲音、圖形和動畫等豐富多彩的表現(xiàn)形式，使物理實驗教學內(nèi)容化難為易。計算機輔助教學的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的實驗教學的模式，促進教師教育觀念的轉(zhuǎn)變，通過人機交互、信息共享，拓展了學生的視野，很好地培養(yǎng)了學生創(chuàng)造性思維能力。
    將計算機仿真技術用于光學實驗教學，不受實驗儀器和實驗場所的限制，可以通過改變實驗參數(shù)獲得不同的實驗結(jié)果，方便教師課堂演示，使課堂教學內(nèi)容形象化，表現(xiàn)手段多樣化，創(chuàng)造一個生動活潑的學習氛圍，讓學生能夠結(jié)合形象的實驗現(xiàn)象更加深刻理解光學理論。開發(fā)光學實驗的仿真模擬系統(tǒng)，并將其運用到物理光學的教學和實驗當中，可以進一步提高大學物理實驗教學的現(xiàn)代化水平。
    但是，由于光學實驗理論的復雜性、高水平仿真圖像和人性化仿真界面的要求，目前國內(nèi)融合光學實驗的仿真系統(tǒng)開發(fā)還不多見。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，開發(fā)出了光學實驗的仿真系統(tǒng)，并用于輔助實驗教學。

1 開發(fā)環(huán)境的選擇及技術
    Visual Basic是由微軟公司開發(fā)的可視化編程語言之一，簡單易學而且功能豐富，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?qū)ο蟮某绦蛟O計語言，擅長處理數(shù)值計算和系統(tǒng)模擬仿真。但是Matlab程序的執(zhí)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VB和Matlab的接口技術將VB功能強大的可視化界面與Matlab的繪圖功能結(jié)合起來，實現(xiàn)二者混合編程，即可開發(fā)出模擬光學實驗的軟件。
    VB調(diào)用Matlab一直是一個難題，可以通過ActiveX自動化技術或Matlab的COM Builder技術實現(xiàn)。但是利用ActiveX時會在后臺啟動一個Matlab進程，不能脫離Matlab環(huán)境，而且實時性差；通過COMBuilder技術雖然可以脫離Matlab環(huán)境，但是一些工具箱函數(shù)還是無法編譯，有一定的局限性，這兩種方法都難以滿足軟件開發(fā)的要求。這里利用DLL動態(tài)鏈接庫方法實現(xiàn)了在VB中調(diào)用Matlab。
    利用動態(tài)鏈接庫方法也就是將Matlab的M一文件轉(zhuǎn)變成為VB可以調(diào)用的DLL文件，從而實現(xiàn)VB對Matlab的調(diào)用。具體過程如下：
    (1)利用Matlab編寫函數(shù)，并保存為M一文件。利用Matcorn4．．5軟件將其編譯為DLL文件，同時還會自動生成在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(tǒng)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編寫的函數(shù)就可以在VB中直接應用。利用DLL技術能夠?qū)崿F(xiàn)VB對Matlab的調(diào)用，這種方法可以方便地在自己開發(fā)的應用軟件中嵌入Mat-lab軟件的功能，實現(xiàn)自己的運算及圖像顯示。

2 系統(tǒng)設計
2．1 主體界面及設計思路
    在實驗教學過程中，學生的學習過程應該是主動、自主學習的過程。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(tǒng)，開發(fā)面向?qū)W生、直觀、易于操作的輔助實驗教學軟件。在設計上，用一個主目錄窗體界面將主要的光學實驗整合在一起，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 詳細設計說明
    在各光學實驗的具體模擬中，每個光學實驗的模擬都含預習評價、實驗內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理、思考練習等部分，同時還有實驗擴展、技術應用等版塊，方便老師和學生查閱、練習，提高學生的創(chuàng)新能力。
    以仿真模擬光柵衍射實驗為例介紹開發(fā)光學實驗仿真模擬系統(tǒng)的過程。

3 光柵衍射實驗的模擬
3．1 光柵衍射實驗的數(shù)學模型
    設λ為入射光波長；α為光柵上每一透光狹縫的寬度；d為光柵常數(shù)；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個相干光形成的縫間干涉和單縫衍射共同作用的結(jié)果。對于光屏上任一點P的光強度，等于N個相干光在該點產(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Matlab程序
    根據(jù)光柵衍射實驗的數(shù)學模型，在Matlab環(huán)境下編寫光柵衍射實驗的raster．m函數(shù)文件。raster．m程序清單如下：

3．3 將Matlab程序轉(zhuǎn)化為DLL文件
    用Matcorn4．5將M一文件轉(zhuǎn)化成DLL的操作步驟如下：
    (1)啟動運行Matcom，點擊菜單File／(20mpile todll，選擇要寫好的raster．m文件。
    (2)點擊OK。這時在對應的I)ebtlg目錄下，有許多編譯生成的文件。在VB開發(fā)環(huán)境中需要用的文件有3個：raster．dll(DLL文件)、raster．bas(聲明DLL的模塊文件)、raster．cls(VB調(diào)用DLL的接口)。
3．4 在VB中調(diào)用DLL文件
    (1)界面設計。在VB中新建一個工程，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，通過編寫簡單程序建立文本框和相應滾動條之間的聯(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，過程為：點擊菜單Project，選擇Ref—erence，在Reference對話框中復選Mmatrix，點擊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mymfile．cls建立VB調(diào)用raster．dll的接口。
    (3)主要程序代碼設計

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

4 結(jié) 語
    用動態(tài)鏈接庫DLL方法成功實現(xiàn)了VB和Matlab的接口編程，并生成可執(zhí)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。開發(fā)出基本光學實驗的模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了在實驗室做不出的實驗效果演示。該集成的光學實驗仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)圖像的動態(tài)顯示，隨入射光波長的實時改變動態(tài)顯示光強分布的圖像，較為逼真。實驗窗口中的圖像可以由實驗者調(diào)試為單獨顯示模式，故而方便了實驗者對光學圖像的存儲。本套光學實驗仿真系統(tǒng)已經(jīng)在中南大學物理實驗室初步投入使用，彌補了光學實驗在此方面的空缺，提高了教學質(zhì)量。而且還將提供給其他高校物理實驗室，輔助光學實驗教學。