柳偉續(xù)

（安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽滁州233100）

檢測與測試

基于嵌入式Linux+QT的管道超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)圖形用戶界面設(shè)計

柳偉續(xù)

（安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽滁州233100）

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)通過單端激勵方式，可以實(shí)現(xiàn)對管道的長距離、大范圍檢測，被廣泛用于工業(yè)無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。針對目前導(dǎo)波檢測系統(tǒng)圖形用戶界面跨平臺和可移植性差的問題，進(jìn)行了基于嵌入式L i n u x+QT的管道超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)圖形用戶界面的設(shè)計和開發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該圖形用戶界面具有可操作性強(qiáng)、運(yùn)行可靠和界面友好的特點(diǎn)，進(jìn)一步通過交叉編譯工具鏈可實(shí)現(xiàn)對跨平臺應(yīng)用的需要。

超聲導(dǎo)波；L i n u x；QT；圖形用戶界面；管道

作為近年來快速發(fā)展的無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新技術(shù)-磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，其通過鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波信號在波導(dǎo)中的激勵與快速檢測。相比于局部檢測（點(diǎn)對點(diǎn)方式）的傳統(tǒng)超聲波、射線等檢測方法，導(dǎo)波檢測通過在管道單端激勵導(dǎo)波信號，可以實(shí)現(xiàn)沿管道長度方向全截面無損檢測，具有檢測方式簡單，檢測精度高，且無需對被檢測物進(jìn)行表面預(yù)處理等特點(diǎn)，被廣泛用于像鋼軌、錨桿、棒材、鋼絞線以及各類管道等長類部件的無損檢測[1-6]。

目前的導(dǎo)波采集系統(tǒng)，上位機(jī)大多采用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致檢測儀器笨重、便攜性和靈活性差，不利于戶外檢測。同時進(jìn)行導(dǎo)波檢測主要利用計算機(jī)進(jìn)行常規(guī)的數(shù)據(jù)處理和顯示，對計算機(jī)資源利用率較低。導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的采集界面多采用Labview或Delphi或C++Builder等實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致開發(fā)得到的應(yīng)用程序跨平臺和可移植性差。為此，本文提出進(jìn)行基于嵌入式Linux+QT的管道超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)圖形用戶界面的設(shè)計與開發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

用于本系統(tǒng)圖形用戶界面顯示的硬件采用高性能AM3517處理器作為系統(tǒng)核心處理器，通過AM3517集成的600 MHz的Cortex-A8內(nèi)核、NEON SIMD協(xié)處理器及POWERVR SGX圖形加速器，能夠很好滿足系統(tǒng)對圖形用戶界面及檢測數(shù)據(jù)快速處理能力的需要。通過USB3320控制器芯片實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)間USB數(shù)據(jù)的采集與傳遞。通過TI的sn75lvds84芯片將來自處理器的TTL/CMOS信號轉(zhuǎn)為抗干擾能力更強(qiáng)的LVDS信號，傳輸給LVDS接口的人機(jī)交互顯示屏。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 圖形用戶界面顯示的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)框圖

下位機(jī)用于完成導(dǎo)波信號的激勵和接受及與上位機(jī)（ARM嵌入式板）的通信，包括信號發(fā)生器、功率放大電路組成的導(dǎo)波激勵模塊以及信號放大電路和濾波采集電路組成的導(dǎo)波接受模塊兩部分組成。經(jīng)功率放大電路放大的激勵信號，經(jīng)傳感器耦合到管道，得到沿管道傳播的導(dǎo)波信號。檢測后，得到的回波信號，經(jīng)信號處理之后，通過USB接口傳給上位機(jī)處理和圖形用戶界面顯示。

2 圖形用戶界面設(shè)計

2.1 基于QT的圖形用戶界面設(shè)計

QT作為一款跨平臺的C++圖形用戶界面開發(fā)框架，具有易擴(kuò)展、可移植性好和支持多種平臺交互開發(fā)的特點(diǎn)。作為QT的嵌入式版本，QT/Embedded被廣泛運(yùn)用于各類嵌入式產(chǎn)品和設(shè)備的開發(fā)[7-8]。管道導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的圖形用戶界面開發(fā)，主要包含顯示控件的設(shè)計開發(fā)、控件對象間的通信及界面布局的設(shè)計。在QT中，圖形用戶界面通過信號（signal）與槽（slot）函數(shù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)各控件之間以及圖形用戶界面與設(shè)備驅(qū)動程序（包括USB設(shè)備、按鍵驅(qū)動設(shè)備等）之間的通信和聯(lián)系，最終，通過圖形用戶界面可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波激勵信號的參數(shù)設(shè)置與導(dǎo)波檢測信號的分析處理和波形顯示。

圖形用戶界面中設(shè)計的不同對象既可以作為信號源也可以作為接收信號的槽函數(shù)，根據(jù)實(shí)際檢測的功能需要，合理設(shè)置對象的信號與槽屬性。這里采用QObject類的connect方法實(shí)現(xiàn)將上述信號與槽連接起來，并實(shí)現(xiàn)通信的傳遞機(jī)制。通過圖形用戶界面進(jìn)行信號傳遞時，既可以完成一個對象發(fā)出信號被多個對象的槽函數(shù)接收并響應(yīng)完成既定任務(wù)的功能，也可以實(shí)現(xiàn)將同一個對象設(shè)定為多個信號源的槽函數(shù)。圖2顯示了對象與對象之間通信的過程。可以看出，對象既可以具有槽函數(shù)或者信號的單一屬性，也可以具有槽函數(shù)和信號的雙重屬性；一個信號可以對應(yīng)多個槽函數(shù)；一個槽函數(shù)也可以接收多個信號。

圖2 信號與槽函數(shù)的通信

根據(jù)檢測的功能需求，本文設(shè)計的圖形用戶界面，主要完成導(dǎo)波激勵信號的參數(shù)設(shè)置和所得檢測信號的處理顯示。通過X86開發(fā)平臺上QT集成開發(fā)環(huán)境得到的圖形用戶界面如圖3所示，主要包括功率、周期數(shù)、波速、采樣率等參數(shù)設(shè)置的顯示控件?？丶牟季种饕ㄟ^QT的布局管理器和窗口分割控件，將上述各控件在主窗口中合理布局實(shí)現(xiàn)。檢測數(shù)據(jù)的顯示，這里采用功能豐富的第三方繪圖庫QWT（將繪圖庫中的QwtPlotCurve曲線類實(shí)例化得到顯示波形的畫圖面板，并將其作為主窗口的子類添加到主窗口中）實(shí)現(xiàn)，在QT集成開發(fā)環(huán)境中，通過交叉編譯工具鏈可以實(shí)現(xiàn)將X86平臺下的圖形用戶界面交叉編譯為不同平臺下的可執(zhí)行程序，例如，這里采用arm-linux-g++交叉編譯工具鏈對上述圖形用戶界面交叉編譯，即可得到嵌入式平臺下的可執(zhí)行程序。

圖3 管道導(dǎo)波檢測系統(tǒng)圖形用戶界面

工作時，導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的圖形用戶界面通過設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)（Linux對設(shè)備的訪問是通過文件系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)）找到對應(yīng)的USB驅(qū)動程序[9-12]，從而實(shí)現(xiàn)激勵信號的參數(shù)設(shè)置及導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)在界面的顯示。

3 仿真數(shù)據(jù)顯示實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該圖形用戶界面的有效性和可靠性，這里對由有限元仿真得到的鋼管數(shù)值仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

3.1 樣管參數(shù)

圖4所示為有限元仿真所用鋼管結(jié)構(gòu)示意圖，上位機(jī)為采用嵌入式Linux+QT的ARM開發(fā)板。

圖4 數(shù)值仿真鋼管示意圖

所用樣管為一根長度為3.0 m，外徑3.5 cm，內(nèi)徑2.2 cm的鋼管。如圖4所示，分別在管道上制作了三個人工缺陷：一個鉆孔和兩個橫向切槽，用來模擬實(shí)際管道中的腐蝕和缺陷。其中，鉆孔至激勵節(jié)點(diǎn)為50 cm，橫向切槽1至激勵節(jié)點(diǎn)為75 cm，橫向切槽2為1.25 m.具體地，人工缺陷參數(shù)如表1所示。

表1 樣管上的缺陷參數(shù)

采用管道單端激勵的方式，在有限元仿真軟件ABAQUS中，將管道一端節(jié)點(diǎn)設(shè)為激勵節(jié)點(diǎn)，其中激勵信號采用調(diào)制的高斯脈沖信號，相鄰單元設(shè)為導(dǎo)波信號接收節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)置管道的幾何與物理參數(shù)、劃分網(wǎng)格等步驟得到仿真模型，加載激勵載荷，設(shè)置仿真時間，經(jīng)仿真得到上述管道的導(dǎo)波仿真信號。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖5所示，為基于嵌入式Linux+ARM平臺的QT圖形用戶界面顯示的有限元仿真結(jié)果?？梢钥闯鰧?shí)現(xiàn)了預(yù)定的顯示功能。

圖5 圖形用戶界面仿真數(shù)據(jù)顯示結(jié)果

從圖5也可以看出數(shù)據(jù)顯示良好，三個人工缺陷信號明顯。進(jìn)一步，根據(jù)波形計算得到的缺陷位置參數(shù)如表格2所示，在一定誤差范圍內(nèi)，與給定長度參數(shù)相一致。

表2 圖形用戶界面顯示結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過X86平臺下的QT集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)得到了管道導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的圖形用戶界面，通過對此應(yīng)用程序進(jìn)行交叉編譯，進(jìn)一步得到了嵌入式Linux+ ARM平臺的QT圖形用戶界面，并實(shí)現(xiàn)了對數(shù)值仿真所得導(dǎo)波信號的顯示。本設(shè)計提高了管道導(dǎo)波檢測系統(tǒng)圖形用戶界面的跨平臺性和可移植性，為后續(xù)得到輕便小巧和便于戶外攜帶的檢測系統(tǒng)做了重要準(zhǔn)備。

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Design of Graphical User Interface for Pipeline Detection System of Ultrasonic Guided Wave Based on Embedded Linux+QT

LIU Wei-xu
（College of Mechanical Engineering，University of Science & Technology of Anhui，Chuzhou Anhui 233100，China）

Ultrasonic guided wave technique detects pipelines in a large-range and long-distance by the method of single-ended excitation，and is widely used in fields of Non-Destructive Testing（NDT）and Structural Health Monitoring （SHM）. Aiming at the problem of the poor cross-platform-ability and portability of graphical user interface （GUI）of current guided-wave detection systems，this paper presents the design and development of the GUI of pipeline detection system of ultrasonic guided wave based on embedded Linux and QT. The experimental results show that the GUI has a series of characteristics such as high operability，reliability and friendly interface. It can be compiled for the cross-platform application by cross compiler tool chain.

ultrasonic guided wave；Linux；QT；graphical user interface；pipeline

T H85

A

1672-545X（2016）09-0188-03

2016-06-06

安徽科技學(xué)院科研啟動項(xiàng)目（ZRC2014457）；校級質(zhì)量工程項(xiàng)目（X2015034）

柳偉續(xù)（1987-），男，安徽滁州人，碩士，助教，主要從事導(dǎo)波無損檢測研究。