基于混合編程的結構狀態檢測研究

雷玉錦，陶以政

(中國工程物理研究院計算機應用研究所，綿陽 621900)

1 前言

在工業自動化領域系統常見的通信編程多為串并口通信編程。計算機串并口編程常用的工具有VC++、Delphi、VB 等開發工具，VC ++由于其適用性廣、效率高，同時也得到Microsoft 系統的最好支持，因此常使用VC++作為開發工具，實現計算機與硬件設備的通信。MATLAB是一套高性能的數值計算和可視化軟件，已廣泛應用于數字信號處理、圖像處理、系統識別等領域［1］。VC ++與Matlab 在軟件開發和數值計算方面各有其優勢，因此，實現VC++與Matlab的混合編程，能夠集中兩者的優勢，提高軟件開發效率［2－3］。

根據結構動力學原理，任何一個結構件的動力學特性都由其自身的質量、剛度、阻尼決定，因此，每一個不同的結構件，其動力學特性都是不同的，而能夠反映結構狀態特性的非參數模型(即頻響函數或傳遞函數、脈沖響應函數)，可以通過振動測量的方法得到。通過搭建專用的測試系統，采用聲音掃頻激勵的方法測試結構件的響應，以區分不同結構的狀態。

2 結構狀態檢測原理

一般的振動問題都是由激勵、結構體和響應三部分組成，根據研究目的的不同，可以有選擇的選取測試內容，通過采用已知激勵和響應信號來分析結構體的狀態。由于選擇使用聲音進行激勵，因此需要使用聲學換能器將電信號轉換為聲信號，為了保證激勵信號的相位不變，使用SR830 鎖相放大器作為信號發生器，同時也具有接收信號的功能。搭建的測試系統原理框圖如圖1 所示。

其工作原理為:首先由計算機控制鎖相放大器生成正弦掃頻信號經功率放大器放大，驅動換能器(聲波換能器)作用在測試對象上;響應換能器(聲波換能器)接收測試對象產生的共振信號(被測結構件的共振頻率)，經電荷放大器對響應信號放大，然后信號傳回鎖相放大器;計算機利用軟件實現與鎖相放大器之間的異步通訊來讀取測試數據。

圖1 測試系統原理框圖

3 基于VC ++與Matlab 混合編程在結構狀態檢測中的實現

3.1 基于VC++的硬件控制

計算機與外設之間需經過接口進行連接，常見的接口類型有并行接口、串行接口、磁盤接口、SCSI接口、USB 接口等，用戶可根據外設的接口類型選擇相應的連接方式。SR830 鎖相放大器與計算機之間使用的是RS232 串口通信，因此重點論述串口通信的實現方法。

目前Win32 中基于VC++的常用串口通信［4－7］方式有MSComm 控件、使用Windows API 函數編程和TAPI 編程等方式。MSComm 控件通過串行端口傳輸和接收數據，為應用程序提供串行通信功能，MSComm 控件在串口編程時非常方便，程序員不必去花時間了解較為復雜的API 函數。MSComm是Microsoft 公司提供的簡化Windows 下串行通信編程的ActiveX 控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。

首先打開VC ++6.0 集成開發環境，建立一個基于MFC的應用程序工程，命名為JgZtJcTEST，在VC++ 主界面上點“工程”→“增加到工程”→“Components and Controls”，在出現的對話框中選擇“Microsoft Communication Control”，單擊插入按鈕，即可將通信控件插入該工程，然后在對話框窗口中添加需要的控件，如需要設置的儀器參數Sensitivity，Scan Length，Phase Shift，Reference Mode，Sweep Fraq.Range 等。

MSComm的屬性很多，用戶可根據需要對控件的屬性進行設置。首先要對串口進行初始化，一般來說要完成通信端口號的設定，通信協議的設定，傳輸速率等參數的設定等等。

由于SR830 內嵌有自身的函數命令，只需將設定的參數通過計算機傳給SR830 即可，這里就用到了串口讀寫操作，通過對MSComm 類中的讀寫函數GetInput()和SetOutput()的設定實現信息傳輸。

3.2 VC++與Matlab 混合編程

VC++與Matlab 混合編程有很多種方法［8］，目前常用的幾種方法是:VC++調用matlab 引擎、基于數據文件交換的方法、基于COM 技術的方法、使用MATCOM 方法、基于ActiveX 控件的方法和使用Matlab Add－in 等混合編程方法。該測試系統軟件使用基于COM 技術的方法完成VC ++與Matlab的混合編程。

首先使用Matlab 軟件創建數據處理的M 文件(實現對測試數據的繪圖和計算分段相關系數)，并將文件保存為shujuhuitu.m。

然后通過Matlab 創建COM 組件，包括配置Matlab COM 編譯器，編譯生成的M 文件，在VC ++的工作目錄下復制編譯產生的.h，.dll，.lib 文件，添加頭文件，添加路徑，完善代碼等等。

4 結構狀態檢測應用實例

通過搭建的測試系統，使用配套的測試軟件(如圖2 所示)完成對Fe，Cu，Al，Wu 四種材料結構件(外形尺寸一樣)的狀態檢測，結果如圖3 所示。

圖2 結構狀態檢測系統軟件

圖3 四種材料結構件狀態檢測結果

從圖3 可以看出，四個結構件雖然外形體積相同，但由于材質不同，其共振頻率存在明顯的差異，計算得到Fe、Cu 兩種材料測試結果的分段相關系數，分別為0.1514，0.9939，0.7627，…，0.2037。相關系數越接近于1，則說明兩種材料越接近，有可能是同種材料;反之則說明是不同種類的材料。

5 結束語

為實現不同材料結構件的狀態檢測，通過使用VC++與Matlab 混合編程的方法，設計了專用的測試系統軟件及數據處理程序，能夠實現對不同材料結構的共振頻率檢測，并能夠應用于狀態識別領域。由于混合編程的方式很多，因此應根據自身工作需要，選擇合適的方式。

［1］王周益，劉繼興，柳長安.VC ++與MATLAB 混合編程研究及開發實例［J］.計算機應用研究，2006(5):154－155.

［2］毛文，孫偉嵩.VC ++ 與Matlab 混合編程方法研究［J］.電腦知識與技術，2009，5(18):4772－4774.

［3］李健，韓國棟，孫志鵬.VC ++調用Matlab的方法［J］.計算機與現代化，2009(7):151－154.

［4］王華，岳麗全，岳志高.MSComm 控件在VC ++6.0 串口通信中的應用［J］.長春工程學院學報(自然科學版)，2009，10(1):72－73.

［5］吉翔，李永全.VC++下MSComm 控件的串口通信方法［J］.電腦開發與應用，2009，22(12):34－35.

［6］陳細軍，譚民.VC 編程中的串口通信技術［J］.計算機應用，2001，21(9):94－95.

［7］王正強.VC 中應用MSComm 控件實現串口通信［J］.電子測試，2010(5):73－76.

［8］張文軍，萬宇.基于COM的Matlab 混合編程技術常見問題分析［J］.計算機與現代化，2011(4):153－155.