基于混合编程的结构状态检测研究

雷玉锦，陶以政

(中国工程物理研究院计算机应用研究所，绵阳 621900)

1 前言

在工业自动化领域系统常见的通信编程多为串并口通信编程。计算机串并口编程常用的工具有VC++、Delphi、VB 等开发工具，VC ++由于其适用性广、效率高，同时也得到Microsoft 系统的最好支持，因此常使用VC++作为开发工具，实现计算机与硬件设备的通信。MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件，已广泛应用于数字信号处理、图像处理、系统识别等领域［1］。VC ++与Matlab 在软件开发和数值计算方面各有其优势，因此，实现VC++与Matlab的混合编程，能够集中两者的优势，提高软件开发效率［2－3］。

根据结构动力学原理，任何一个结构件的动力学特性都由其自身的质量、刚度、阻尼决定，因此，每一个不同的结构件，其动力学特性都是不同的，而能够反映结构状态特性的非参数模型(即频响函数或传递函数、脉冲响应函数)，可以通过振动测量的方法得到。通过搭建专用的测试系统，采用声音扫频激励的方法测试结构件的响应，以区分不同结构的状态。

2 结构状态检测原理

一般的振动问题都是由激励、结构体和响应三部分组成，根据研究目的的不同，可以有选择的选取测试内容，通过采用已知激励和响应信号来分析结构体的状态。由于选择使用声音进行激励，因此需要使用声学换能器将电信号转换为声信号，为了保证激励信号的相位不变，使用SR830 锁相放大器作为信号发生器，同时也具有接收信号的功能。搭建的测试系统原理框图如图1 所示。

其工作原理为:首先由计算机控制锁相放大器生成正弦扫频信号经功率放大器放大，驱动换能器(声波换能器)作用在测试对象上;响应换能器(声波换能器)接收测试对象产生的共振信号(被测结构件的共振频率)，经电荷放大器对响应信号放大，然后信号传回锁相放大器;计算机利用软件实现与锁相放大器之间的异步通讯来读取测试数据。

图1 测试系统原理框图

3 基于VC ++与Matlab 混合编程在结构状态检测中的实现

3.1 基于VC++的硬件控制

计算机与外设之间需经过接口进行连接，常见的接口类型有并行接口、串行接口、磁盘接口、SCSI接口、USB 接口等，用户可根据外设的接口类型选择相应的连接方式。SR830 锁相放大器与计算机之间使用的是RS232 串口通信，因此重点论述串口通信的实现方法。

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 函数编程和TAPI 编程等方式。MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能，MSComm 控件在串口编程时非常方便，程序员不必去花时间了解较为复杂的API 函数。MSComm是Microsoft 公司提供的简化Windows 下串行通信编程的ActiveX 控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。

首先打开VC ++6.0 集成开发环境，建立一个基于MFC的应用程序工程，命名为JgZtJcTEST，在VC++ 主界面上点“工程”→“增加到工程”→“Components and Controls”，在出现的对话框中选择“Microsoft Communication Control”，单击插入按钮，即可将通信控件插入该工程，然后在对话框窗口中添加需要的控件，如需要设置的仪器参数Sensitivity，Scan Length，Phase Shift，Reference Mode，Sweep Fraq.Range 等。

MSComm的属性很多，用户可根据需要对控件的属性进行设置。首先要对串口进行初始化，一般来说要完成通信端口号的设定，通信协议的设定，传输速率等参数的设定等等。

由于SR830 内嵌有自身的函数命令，只需将设定的参数通过计算机传给SR830 即可，这里就用到了串口读写操作，通过对MSComm 类中的读写函数GetInput()和SetOutput()的设定实现信息传输。

3.2 VC++与Matlab 混合编程

VC++与Matlab 混合编程有很多种方法［8］，目前常用的几种方法是:VC++调用matlab 引擎、基于数据文件交换的方法、基于COM 技术的方法、使用MATCOM 方法、基于ActiveX 控件的方法和使用Matlab Add－in 等混合编程方法。该测试系统软件使用基于COM 技术的方法完成VC ++与Matlab的混合编程。

首先使用Matlab 软件创建数据处理的M 文件(实现对测试数据的绘图和计算分段相关系数)，并将文件保存为shujuhuitu.m。

然后通过Matlab 创建COM 组件，包括配置Matlab COM 编译器，编译生成的M 文件，在VC ++的工作目录下复制编译产生的.h，.dll，.lib 文件，添加头文件，添加路径，完善代码等等。

4 结构状态检测应用实例

通过搭建的测试系统，使用配套的测试软件(如图2 所示)完成对Fe，Cu，Al，Wu 四种材料结构件(外形尺寸一样)的状态检测，结果如图3 所示。

图2 结构状态检测系统软件

图3 四种材料结构件状态检测结果

从图3 可以看出，四个结构件虽然外形体积相同，但由于材质不同，其共振频率存在明显的差异，计算得到Fe、Cu 两种材料测试结果的分段相关系数，分别为0.1514，0.9939，0.7627，…，0.2037。相关系数越接近于1，则说明两种材料越接近，有可能是同种材料;反之则说明是不同种类的材料。

5 结束语

为实现不同材料结构件的状态检测，通过使用VC++与Matlab 混合编程的方法，设计了专用的测试系统软件及数据处理程序，能够实现对不同材料结构的共振频率检测，并能够应用于状态识别领域。由于混合编程的方式很多，因此应根据自身工作需要，选择合适的方式。

［1］王周益，刘继兴，柳长安.VC ++与MATLAB 混合编程研究及开发实例［J］.计算机应用研究，2006(5):154－155.

［2］毛文，孙伟嵩.VC ++ 与Matlab 混合编程方法研究［J］.电脑知识与技术，2009，5(18):4772－4774.

［3］李健，韩国栋，孙志鹏.VC ++调用Matlab的方法［J］.计算机与现代化，2009(7):151－154.

［4］王华，岳丽全，岳志高.MSComm 控件在VC ++6.0 串口通信中的应用［J］.长春工程学院学报(自然科学版)，2009，10(1):72－73.

［5］吉翔，李永全.VC++下MSComm 控件的串口通信方法［J］.电脑开发与应用，2009，22(12):34－35.

［6］陈细军，谭民.VC 编程中的串口通信技术［J］.计算机应用，2001，21(9):94－95.

［7］王正强.VC 中应用MSComm 控件实现串口通信［J］.电子测试，2010(5):73－76.

［8］张文军，万宇.基于COM的Matlab 混合编程技术常见问题分析［J］.计算机与现代化，2011(4):153－155.