王文斌，剡昌鋒＋，劉朝陽，2，張 凱，3

（1.蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京211189；3.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116024）

0 引 言

在許多研究和商用軟件開發(fā)中，常會遇到C＃.NET 與MATLAB混合編程的情況，即利用MATALB中提供的工具箱中函數(shù)和算法實現(xiàn)某些功能的編寫，而主體軟件和界面用VisualC＃.NET 進行開發(fā)，并通過C＃.NET 進行相關(guān)數(shù)據(jù)庫操作等。這樣既結(jié)合了C＃編程人員與MATLAB編程人員共同開發(fā)軟件，減少了算法的開發(fā)周期，提高了軟件開發(fā)效率，加快了研究工作的進展，又起到算法保密作用。在MATLAB 與其它語言混編的方式方面，張良等［1］在VB.NET 環(huán) 境 中，利 用ActiveX 調(diào) 用MATLAB 的函數(shù)，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)了等離子體單粒子模擬程序；王海崗等［2］敘述了基于COM 技術(shù)的VC 與MATLAB混合編程的一般鏈接方法，并將其應(yīng)用于圖像處理中，得到較好的結(jié)果；P.Bisták［3］基于C＃.NET 技術(shù)與Matlab／Simulink平臺做了遠程實驗室控制系統(tǒng)的開發(fā)，并描述了其在液壓系統(tǒng)與磁懸浮系統(tǒng)中的應(yīng)用；焦綱領(lǐng)等［4］介紹了C＃.NET 調(diào)用MATLAB 生成的COM 組件的混合編程過程；R.Bayindir等［5］基于C＃.NET 與MATLAB，開發(fā)了一套用于分析串口和并口RCL 回路的訓(xùn)練工具；秦健等［6］將C＃.NET 與MATLAB 混合編程應(yīng)用于探空數(shù)據(jù)的處理，并以圖形化顯示的方式比較了不同廠家探空儀所得的各項數(shù)據(jù)；陳華杰等［7］將VC和MATLAB混合編程技術(shù)應(yīng)用到開合成發(fā)孔徑雷達 （SAR）圖像分類平臺中，實現(xiàn)SAR 圖像分類算法的測試與評估；姚光強等［8］以地理信息系統(tǒng)中常用的空間插值分析為例，比較了C＃與MATLAB混合編程的兩種混編方式，其結(jié)論中稱使用MATLAB COM Builder將M 語言文件編譯成COM 組件供C＃調(diào)用的方式要比C＃使用MATLAB提供的自動化服務(wù)要更好。

盡管MATLAB與其它語言混合編程的應(yīng)用很多，但是在調(diào)用MATLAB圖窗時，會彈出一個單獨的Figure窗，而不是嵌入在主體軟件界面中，使得軟件的融合性變差，用戶體驗不佳；吳煥瑞等［9］通過圖片流的方式做到了圖像的嵌入顯示，但通過這種方式實現(xiàn)后就失去了MATLAB繪圖窗口的工具使用功能。為此，本文在C＃與MATLAB混編中，提出一種C＃.NET 調(diào)用MATLAB 時將MATLAB繪圖窗口 （Figure窗口）嵌入WinForm 的方法。并將此方法應(yīng)用到汽輪發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件開發(fā)中，進行運行顯示與結(jié)果分析。

1 C＃.NET與MATLAB混編總體概述

MATLAB通過MATLAB Compiler發(fā)布其代碼或產(chǎn)品如圖1所示，通過MATLAB Bilder產(chǎn)品可以發(fā)布供特定編程環(huán)境調(diào)用的組件。其中，通過MATLAB Builder NE可以將MATLAB中編寫的具有特定功能的＊.m 文件編譯成.NET 組件，供C＃程序調(diào)用。

圖1 MATLAB發(fā)布產(chǎn)品

在進行汽輪發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件開發(fā)中，用C＃進行軟件的主體開發(fā)，即用戶操作界面、用戶和文件管理、數(shù)據(jù)庫操作等，充分利用C＃高級開發(fā)語言帶來的方便。而對現(xiàn)場采集的設(shè)備運行信號進行諸如幅值譜、功率譜以及自相關(guān)函數(shù)等頻譜分析和相干分析的算法借助MATLAB，編寫MATLAB 的.m 函數(shù)文件，并通過MATLAB發(fā)布工具生成.NET 組件。在運行過程中，數(shù)據(jù)傳輸和程序調(diào)用的流程如圖2 所示。首先，用C＃程序調(diào)用MATLAB發(fā)布的.NET 組件，并導(dǎo)入采集的時域信號數(shù)據(jù)。其 次，MCR （MATLAB component runtime）根 據(jù)所調(diào)用m 函數(shù)文件的功能，做出相應(yīng)的回應(yīng)，返回數(shù)值數(shù)據(jù)或者彈出MATALB繪圖窗體 （Figure）。最后，若MCR返回數(shù)值數(shù)據(jù)則傳輸給C＃程序做相關(guān)處理，而若是彈出可視的Figure窗，則C＃通過調(diào)用Windows操作系統(tǒng)的窗口函數(shù)查詢Figure窗體的句柄，將包含圖譜結(jié)果的Figure窗體句柄返回并傳給C＃主程序的WPF用戶控件，作為其的子窗體嵌入到主程序界面中。以此，操作人員可以做信號的監(jiān)視、對比和后續(xù)的處理。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸和程序調(diào)用流程

2 C＃項目調(diào)用MATLAB過程

本文研究的內(nèi)容都是在MATLAB 2010a環(huán)境下發(fā)布.NET 組件，并在Visual Studio 2010C＃環(huán)境中進行主界面開發(fā)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與調(diào)用。

2.1 從MATLAB環(huán)境生成.NET組件

MATLAB通過其內(nèi)部開發(fā)工具MATLAB Bilder NE將編寫的.m 文件編譯成.NET 組件，此組件就可以像其它托管代碼一樣在C＃.NET 中很方便的進行調(diào)用。從MATLAB生成.NET 組件的主要步驟如下：

（1）在MATLAB 中編寫好特定功能的算法函數(shù)，以＊.m 格式保存到指定路徑，并確保程序能在MATLAB 中成功運行。

（2）在MATLAB的Command Window 里輸入deployment命令，按回車即可彈出部署工程對話框 “Deployment Project”。

（3）在Deployment Project對話框的Name中輸入要生成的程序集文件的名稱，在Location中選擇程序集輸出路徑，在Type中選擇生成程序集的類型，選擇.NET Assembly，點確定后進入Deployment Tool窗口中。

（4）點擊 ［Add class］添加一個類，并在該類下add files中添加好之前保存好的＊.m 文件作為該類的方法，如果有多個m 函數(shù)則可以都添加到此類中，也可以重新建一個類。

（5）點擊生成按鈕，生成C＃.NET 環(huán)境中可以調(diào)用的dll組件文件。如果程序是將來要在沒有安裝MATLAB 的機子上運行，則需要在Package選項卡中添加MCR，點擊打包按鈕就可以將所需的程序集文件和MCR 引擎安裝文件等打包在指定路徑的.exe文件中，雙擊該.exe文件，就可以將所有文件解壓出來。

2.2 C＃項目調(diào)用MATLAB

從MATLAB生成.NET 組件成功后，在生成路徑下的distrib文件夾中就包含了所需的擴展名為.dll的.NET組件，該類組件在C＃中叫做程序集。得到了.dll程序集文件后，在C＃項目中添加對其的引用，就可以實現(xiàn)對程序集內(nèi)部方法的調(diào)用。主要步驟如下：

（1）用Visual Studio 2010創(chuàng)建好C＃的Windows窗體應(yīng)用程序。

（2）引用程序集文件。在所建項目中瀏覽添加前面MATLAB生成的.dll程序集文件和庫文件MWArray.dll的引用。其中MWArray.dll文件起到C＃調(diào)用Matlab引擎橋梁的作用，是此種混編方式中所必須的。C＃中數(shù)據(jù)類型可以通過MWArray.dll實現(xiàn)同Matlab中數(shù)據(jù)類型的相互轉(zhuǎn)換，該文件位于本機MATLAB 安裝路徑下的＼toolbox＼dotnetbuilder＼bin＼ ［win32｜Win64］＼v2.0中。

（3）在項目中新建一個靜態(tài)類，用來封裝調(diào)用Matlab函數(shù)的方法。要在該類中添加如下兩個引用：using Math－Works.MATLAB.NET.Arrays和using MathWorks.MATLA B.NET.Utility。

（4）在相應(yīng)的事件處理程序中寫入調(diào)用 （3）中方法的代碼就可實現(xiàn)用MATLAB 函數(shù)進行運算，并可以接受函數(shù)返回的數(shù)據(jù)值。如果該函數(shù)的結(jié)果是在MATLAB 繪圖窗口中，則會彈出一個獨立于C＃應(yīng)用程序窗體的MATLAB繪圖窗口。

3 將Figure嵌入WinForm 中

如果編寫的m 函數(shù)在運行時，其結(jié)果要在MATLAB繪圖窗口中顯示，則通過C＃程序調(diào)用組件中該函數(shù)時，就會彈出一個獨立于C＃應(yīng)用程序窗體的由MCR 支持的MATLAB繪圖 （Figure）窗口。為此，在C＃的WinForm中添加一個WPF用戶控件，該WPF控件界面中包含一個border控件。C＃通過平臺調(diào)用Win32API函數(shù)，將Figure窗口的句柄傳給border控件的Child屬性，從而實現(xiàn)整個Figure窗口嵌入Windows窗體設(shè)計界面中。

3.1 在WinForm 中添加一個WPF用戶控件

（1）在所創(chuàng)建項目下需要嵌入MATLAB Figure窗口的Windows窗體設(shè)計界面中添加一個ElementHost控件，并設(shè)置好大小。

（2）在項目中添加一個 “用戶控件 （WPF）”的新項，并設(shè)置好名稱，本文采用其默認名稱UserControl1.xaml。

（3）在UserControl1.xaml中添加一個WPF 的border控件，并設(shè)置Width 和Height與 （1）中ElementHost的大小一致。將UserControl和Grid 的大小也設(shè)為同樣的大小。

（4）重新生成項目，并點擊ElementHost控件右上角的智能標簽，將 （2）和 （3）設(shè)置的UserControl1設(shè)置為其所承載的內(nèi)容，使WPF 用戶控件嵌入到Windows 界面中。

3.2 封裝一個用于捕捉窗口句柄的類

為了將MATLAB繪圖窗口嵌入WinForm 中，需通過C＃調(diào)用Windows操作系統(tǒng)的窗口函數(shù)找到Figure窗體句柄，主要步驟及代碼如下：

（1）在項目中添加一個用于捕捉窗體并設(shè)置窗體特性的類，名稱可以為ControlHost，并且此類要繼承自系統(tǒng)類HwndHost。

（2）在ControlHost類中添加以下幾個引用：

using System.Windows.Interop；

using System.Runtime.InteropServices；

using System.Threading；

using System.Windows；

（3）捕捉窗體并設(shè)置窗體風(fēng)格時需要用到的Win32 API函數(shù)主要有下面代碼中所示：

（4）在ControlHost類中重寫HwndHost的HandleRef BuildWindowCore方法，用來創(chuàng)建一個承載窗口，承載捕捉到的Figure窗口。最后將Figure窗口的句柄包裝在一個托管對象中返回，該方法的代碼如下：

3.3 在WinForm 應(yīng)用程序中添加嵌入子窗體的代碼

在應(yīng)用程序的指定事件處理程序中寫句柄傳遞的代碼，將捕捉到的MATLAB 繪圖窗口句柄傳遞給border控件的Child屬性，作為其承載元素，實現(xiàn)Figure窗口間接地嵌入Windows窗體界面中。

4 程序設(shè)計示例

汽輪發(fā)電機組在電力生產(chǎn)中屬于極其重要設(shè)備，起著舉足輕重的作用，因此，其運行的穩(wěn)定性和可靠性跟整個電力系統(tǒng)乃至整個國民經(jīng)濟穩(wěn)定有著密切的關(guān)系。研究開發(fā)汽輪發(fā)電機組故障診斷專家系統(tǒng)，有助于準確高效地對汽輪發(fā)電機組故障進行診斷與預(yù)測，對于汽輪發(fā)電機組保持良好的工作狀態(tài)具有重大的意義［10］。本文結(jié)合C＃和SQL Server以及MATLAB 進行汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件的綜合開發(fā)，圖3是軟件主界面。

圖3 汽輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)

軟件中狀態(tài)監(jiān)測和信號分析兩個模塊均采用C＃與MATLAB混合編程實現(xiàn)的。狀態(tài)監(jiān)測是對于汽輪機機組實現(xiàn)故障診斷的第一步，是故障診斷工作的重要基礎(chǔ)。有效的狀態(tài)監(jiān)測在保證機組安全、穩(wěn)定、高效運行和消除事故方面能發(fā)揮巨大的作用，本模塊主要功能包括——前期處理模塊 （包含時域波形、去直流分量、顯示數(shù)據(jù)、求絕對值）、狀態(tài)監(jiān)測模塊 （包括峰值、峰峰值、均值、均方根值、方差、標準差、峭度、波形因子、峰值因子、峭度、脈沖因子和裕度因子）和狀態(tài)分析模塊 （包括軸心軌跡圖、極坐標圖、頻譜圖、波德圖）。鏈接好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，選擇相應(yīng)的分析功能，運行效果如圖4所示。在該圖中，峰值、峰峰值等以列表的方式顯示其值，而時域波形圖、軸心軌跡圖等以圖形化的方式顯示，兩者結(jié)合于同一界面，極大的方便了設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測與分析。

狀態(tài)信號分析是用來實現(xiàn)對汽輪機組實時監(jiān)測的信號進行分析的，并以圖形界面的形式顯示出來，以方便有關(guān)專家實時分析汽輪機的振動信號，并及時診斷其產(chǎn)生的故障，最終實現(xiàn)故障的修復(fù)。因此，在本模塊中需要做出直觀的狀態(tài)信號分析平臺的顯示界面，并顯示出汽輪機振動信號的分析圖譜，主要進行信號的頻譜分析及相干分析的圖形化顯示。運行效果如圖5所示，從圖中可以看出，汽輪機振動信號的分析圖譜均實現(xiàn)圖形化顯示，使故障的診斷變得直觀，快捷。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測界面

圖5 狀態(tài)信號分析平臺界面

兩模塊的開發(fā)過程相類似，只是各自包含的MATLAB算法不同，主要開發(fā)過程如下：

（1）在MATLAB 中編寫各個子功能的算法，并各自保存為＊.m 文件，按照2.1的步驟生成.NET 組件Untitled1.dll。

（2）按照2.2中 （1）至 （3）的步驟建立起狀態(tài)監(jiān)測界面和狀態(tài)信號分析平臺界面，并設(shè)置好C＃調(diào)用MATLAB的配置。其中，在 （3）中所建立的靜態(tài)類為Get－Function.cs。

（3）以3.1與3.2 中的方式添加好窗體嵌入的程序，將子功能名稱添加到一個Treeview 控件中，并在Treeview控件的雙擊事件中添加調(diào)用GetFunction的方法代碼以及窗體傳遞代碼。其中，狀態(tài)監(jiān)測模塊中一些功能方法，如峰值，返回的是數(shù)值數(shù)據(jù)，則以合適的數(shù)據(jù)類型進行接收，并傳遞到文本框中，結(jié)果如圖4所示。在圖譜顯示的功能調(diào)用中，要將Figure窗嵌入主界面中，主要代碼如下：

GetFunction.Myfft1（）；／／調(diào)用對應(yīng)于Treeview 節(jié)點雙擊事件的圖譜計算方法

ControlHost listControl＝new ControlHost（400，350）；

userControl11.border1.Child＝listControl；

Application.DoEvents（）；

從圖4和圖5中可以看出，一個完整的MATLAB繪圖窗體嵌入到了C＃開發(fā)的各自界面中，MATLAB繪圖窗體中的所有工具，如放大縮小、移到等，也都可以正常使用，這為狀態(tài)監(jiān)測和后續(xù)的信號處理工作都帶來很大的方便。

另外，如果混編后的程序或軟件要在沒有安裝相應(yīng)版本的MATLAB與VisualStudio的計算機上運行，則需要安裝 相 應(yīng) 版 本 的 兩 個 組 件：①安 裝 .NET 框 架 （Microsoft.NET framework），以支持C＃代碼的編譯；②安裝MCR （MATLAB component runtime）以支持MATLAB程序的運行。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于C＃.NET與MATLAB 混編的Figure窗口嵌入WinForm 方法，通過汽輪發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件開發(fā)實例的驗證，本文所提的方法能較好的將Figure窗口嵌入WinForm 中，增強了軟件的融合性，方便了用戶操作。另外，本文所提的方法還可以廣泛用于各類用到C＃調(diào)用MATLAB混編的科研與商業(yè)軟件開發(fā)中，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低人力成本。

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