C#與MATLAB混合編程在AE信號分析中的應用

秦 政，劉玉德

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

1 引言

材料中局域源能量快速釋放而產生瞬態(tài)彈性波的現象稱為聲發(fā)射(acoustic emission，AE)。受聲發(fā)射信號自身特性、檢測儀器以及外界環(huán)境的影響，檢測到的聲發(fā)射電信號往往與真實信號有很大差距。因此，在聲發(fā)射技術發(fā)展中，各種可能的信號處理方法都曾在聲發(fā)射信號處理上進行嘗試。目前，在實驗和工程實踐中最常選用的聲發(fā)射信號分析方法是聲發(fā)射參數分析法，而快速準確的對聲發(fā)射信號中的持續(xù)時間、上升時間、振鈴計數、能量、RMS、ASL等特征參數進行提取和分析是聲發(fā)射信號研究的重要先決條件[1]。

目前，聲發(fā)射信號檢測系統(tǒng)通常將聲發(fā)射原始波形信號分割為離散的撞擊信號(Hit)，存儲在文本文件中。后續(xù)的聲發(fā)射信號研究主要通過對這些撞擊文件分析來完成。而一段聲發(fā)射原始波形信號會被分割為成千上萬甚至幾十萬個撞擊文件。針對數量如此龐大的聲發(fā)射撞擊文件，提出使用混合編程的的方法完成對聲發(fā)射信號的存儲、顯示、處理和分析。

MATLAB是由MathWorks公司開發(fā)的一種高級編程語言，主要用于數值計算，編程和可視化。它支持包括C，C++，C#，Fortran，Java等其它編程語言進行接口連接。得益于MATLAB語言豐富的庫函數、強大的矩陣運算能力和數據繪制功能，其在聲發(fā)射信號處理方面相較于其它編程語言更加靈活，便捷。雖然MATLAB提供的一些制作交互界面的方法，如MATLAB GUI 等，能夠滿足一些簡單圖形用戶界面的需求，但在開發(fā)更加復雜的軟件方面稍顯力不從心[2-5]。

C#語言是一種現代的，通用的，面向對象的編程語言。作為由C/C++衍生出來的編程語言，C#能夠在快速開發(fā)的同時調用底層平臺的所有功能，使得編程人員可以快速編寫各種基于.NET平臺的應用程序，在編寫桌面應用程序方面有著簡單高效的特點[6，7]。同時，利用C#語言編寫的桌面應用程序可以利用ADO.NET技術同SQL Server數據庫進行數據通信，針對大量聲發(fā)射信號撞擊文件的存儲有得天獨厚的優(yōu)勢。在信號處理分析方面，C#多依賴于各種第三方數值計算庫。這些第三方類庫編寫水平參差不齊，無法同MATLAB豐富的庫函數相比擬。

C#和MATLAB在各自領域都有著巨大優(yōu)勢，通過MATLAB強大的數值計算能力進行聲發(fā)射信號處理核心算法的實現，并使用C#進行用戶界面設計并與數據庫進行通信，實現聲發(fā)射信號的可視化和數據庫存儲。二者取長補短能夠提高聲發(fā)射信號處理和分析的效率[8]。

2 C#與MATLAB混合編程的常用方法研究

目前，常用的MATLAB與C#混合編程的方法有以下三種：

第一種是利用.NET程序集[11]。MATLAB Complier能夠將要調用的M函數文件生成擴展名為*.dll的.NET程序集，用戶可以在C#項目中添加對該程序集的引用，調用程序集內部方法[13]。需要注意的是，如果運行程序的計算機中未安裝MATLAB軟件，還需要在計算機中安裝MATLAB組件運行環(huán)境(MATLAB Component Runtime，MCR)，它可以分析用戶程序，自動實現一個運行該程序的最小環(huán)境而不需要安裝完整的MATLAB。這種方法可以將含有聲發(fā)射信號特征參數提取和分析算法的MATLAB函數編譯為適用于C#項目的.NET組件，將聲發(fā)射信號算法“融合”進C#窗體應用程序中，使得聲發(fā)射信號分析處理更加靈活，簡便。

第二種是利用MATLAB引擎(Engine)。MATLAB引擎是指MATLAB提供的一組接口函數，用戶可以通過MATLAB引擎實現對MATLAB程序的控制。這種方式將MATLAB作為計算引擎服務器，而外部應用程序作為客戶端，用戶向客戶端發(fā)出數據請求，客戶端通過MATLAB引擎向MATLAB服務器端發(fā)出數據參數和MATLAB命令，MATLAB服務器端經過計算后將計算結果經MATLAB引擎返回給客戶端[9]。在Windows系統(tǒng)中，外部應用程序與計算引擎服務器是利用IEngine接口實現的。MATLAB計算引擎應用提供的MATLAB功能最為全面，包含MATLAB的全部函數，還可以執(zhí)行MATLAB命令。這些功能有利于聲發(fā)射信號的小波分析、模態(tài)聲發(fā)射分析、人工神經網絡模式識別等方面的研究。由于調用引擎的時候需要在后臺啟動MATLAB進程，使用這種方法要求用戶必須安裝MATLAB軟件。這種情況反而使得聲發(fā)射特征參數分析變得更加繁瑣，也削弱了C#與MATLAB混合編程的優(yōu)勢。

第三種是利用COM技術[10]。COM(Component Object Model，組件對象模型)，是由微軟推出的一套接口規(guī)范，通過設定不同組件之間需要遵守的標準與協(xié)議，主要用來實現跨語言、跨進程之間的模塊通信。基于COM標準，可以開發(fā)不同的COM對象，而對象以接口的形式提供服務。一般地，COM對象與客戶之間是遵循控制器/服務器工作模式的。在COM的基礎上，COM自動化服務允許一個應用程序(控制器或客戶端)控制由另一個應用程序(服務器)導出的控件對象。其核心是采用統(tǒng)一的IDispatch接口。MATLAB是一款支持COM標準的軟件，它既可以作為自動化控制器控制其它應用程序，也可以由作為自動化控制器的其它應用程序控制?；谶@一點，用戶可以在其它應用程序下運行MATLAB組件及MATLAB程序本身，這一方法類似于MATLAB引擎技術，使聲發(fā)射信號特征參數分析的變的稍顯復雜。不僅如此，還可以利用MATLAB Complier將M函數編譯為COM組件供其它應用程序調用，這一方法的效果在聲發(fā)射分析中類似于.NET組件法，但編譯的COM組件在使用時往往還需要進行注冊，并可能出現“DLL地獄”問題。

3 在聲發(fā)射信號處理分析中的應用

基于前一節(jié)的內容，本文著重研究.NET程序集的方法在進行聲發(fā)射信號處理分析混合編程時的應用.該方法的具體步驟包括：

1)在MATLAB中編寫可以運行的M函數。

2)利用MATLAB Complier 將M函數編譯成.NET程序集。

3)在C#項目中添加對生成的.NET程序集以及MWArray.dll的引用。

4)編寫C#代碼調用.NET程序集中的方法。

3.1 在聲發(fā)射信號特征參數分析中的應用

3.1.1 聲發(fā)射信號特征參數提取算法實現

以聲發(fā)射信號參數中的持續(xù)時間為例，持續(xù)時間是信號第一次越過門檻至最終降至門檻所經歷的時間間隔，用μs表示，可用于對特殊波源類型和噪聲的鑒別[12]。為實現上述功能，運行MATLAB R2018a，編寫如下M函數：

function duration=Duration(data，threshold，pregain)

beginTime=1;

while ～(beginTime>=length(data)-1‖ data(beginTime)>(10^((threshold+pregain)/20))*(10^-6))

beginTime=beginTime+1;

end

endIndex=1;

flipData=flipud(data);

while ～(endIndex>=length(flipData)-1‖ flipData(endIndex)>(10^((threshold+pregain)/20))*(10^-6))

endIndex=endIndex+1;

end

endTime=length(data)-endIndex+1;

duration=(endTime-beginTime);

if duration<0

duration=0;

end

M函數中包含三個輸入參數和一個輸出參數。三個輸入參數分別表示聲發(fā)射信號數據，設置的閾值以及前置放大增益，輸出參數表示聲發(fā)射信號的持續(xù)時間。

3.1.2 利用MATLAB Complier制作.NET組件

在MATLAB命令行窗口中運行deploytool命令，出現MATLAB Complier窗口，單擊Library Complier，出現標題為MATLAB Complier - untitled1.prj的窗口，如圖1所示。在工具欄TYPE中選擇.NET Assembly，在EXPORTED FUNCTIONS中添加編寫的M函數Duration.m。在Library information 中可以輸入工程文件的名字以及文件描述等相關信息。在Namespace中輸入方法所在的命名空間MatlabParameter.在Class Name中雙擊Class1修改類的名稱為Parameter，在Method Name中添加Duration.m作為Parameter類的方法。右擊方法名，點擊Delete可刪除已添加的方法。點擊Add Class可添加新的類。點擊Package進行編譯打包工作。編譯結束后MATLAB會在工程路徑下生成工程文件夾，在for_redistribution_files_only子文件夾中找到與命名空間名稱同名的動態(tài)鏈接庫文件MatlabParameter.dll，即所要加載的dll文件。

圖1 MATLAB Complier 工程窗口

3.1.3 在C#項目中使用.NET程序集

使用程序集前必須添加對程序集的引用，在C#項目中通過瀏覽找到Duration.dll的位置，添加至引用。因為C#與MATLAB之間的語言思路與計算方式不同， 數據間無法直接傳遞，.Net組件中運用MWArray類型作為中間類型， 使得C#中數據的類型與MATLAB中數據的類型皆可轉換至MWArry，從而達到相互轉換的目的。因此，需要添加MATLAB安裝路徑下MATLABR2018a oolboxdotnetbuilderinwin64v4.0中的MWArry.dll至引用以進行數據交換。同時添加命名空間MathWorks.MATLAB.NET.Arrays和MathWorks.MATLAB.NET.Utility。

具體的數據類型轉換原則如下：

1)將C#數據類型轉換為MATLAB適用的數據類型，如果C#數據類型為int，double等類型，可以直接隱式轉換為MWArray類型；如果C#數據類型為數組類型，需要先將數據類型轉換為MWArrry的子類，包括MWNumericArray，MWCharArray，MWLogicalArray等類型(其中MWNumericArray對應C#中double，float，int等類型，MWCharArray對應Char，String等類型，MWLogicalArray對應Boolean類型)，再將子類型賦值給父類型MWArray。

2)將MATLAB類型轉換為C#類型，由MATLAB函數返回的數據均為MWArray類型，需要先強制轉換為子類型，再轉換為C#中相應的數據類型。

在界面的計算按鈕相應事件中添加如下代碼。

∥定義三個MWNumericArray類型的變量

MWNumericArray mwPregain=pregain;

MWNumericArray mwThreshold=threshold;

MWNumericArray mwData;

MatlabParameter matlabParameter=new MatlabParameter();

DataTable dt=new DataTable();

DataTable dtResult=new DataTable();

dtResult.Columns.Add("Duration"，typeof(float));

dt=parameter.GetRawData(strWhere);

∥批量計算聲發(fā)射信號數據的持續(xù)時間

for (int i=0; i < dt.Rows.Count; i++)

{

∥將以string類型存儲的聲發(fā)射信號數據轉為double類型

string[]strAWave=@dt.Rows[i][1].ToString().Split(newstring[]{ " " }，

StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);

double[] dAWave=new double[strAWave.Length];

for (int j=0; j < strAWave.Length; j++)

{

dAWave[j]=Convert.ToDouble(strAWave[j]);

}

mwData=dAWave;

DataRow item=dtResult.NewRow();

∥計算，將MWArray類型的數據轉換為double類型

item["Duration"]=@( (MWNumericArray)matlabParameter.Duration(mwData，mwThreshold，mwPregain)).ToScalDouble();

dtResult.Rows.Add(item);

}

return dtResult;

首先，定義了三個MWNumericArrary類型的輸入變量，并將閾值和前置放大增益賦值給對應的兩個變量；其次，在調用.NET程序集中方法前創(chuàng)建包含這個方法的實例；MatlabParameter matlabParameter=new MatlabParameter();

然后，對以string類型儲存的聲發(fā)射信號數據進行處理，分割字符串，得到每個數據并轉換為double類型，再將double類型的數據存入double類型數組中，通過賦值得到MWNumericArrary類型的聲發(fā)射信號數據；接著，調用.NET程序集中的方法matlabParameter.Duration()對聲發(fā)射信號數據進行計算：

item["Duration"]=@( (MWNumericArray)matlabParameter.Duration(mwData，mwThreshold，mwPregain)).ToScalarDouble();

由于返回值為MWArray類型，需先強制轉換為MWNumericArray類型，再轉換為Double類型，讀入DataTable中以便在C#窗體中顯示。

3.2 在聲發(fā)射信號分析可視化中的應用

聲發(fā)射信號的特征參數分析方法不僅要對單個特征參數進行提取和分析，還要對特征參數進行經歷分析、分布分析和關聯(lián)分析。最常用最直觀的分析方式是進行圖形分析，繪制相關的經歷分析圖、分布分析圖和關聯(lián)分析圖進行研究。

由MATLAB函數編譯的.NET組件不僅可以對矩陣進行操作，完成數值計算，還可以在MCR環(huán)境中調用MATLAB特有的句柄圖形系統(tǒng)，實現對圖形窗口對象的操作。

以聲發(fā)射信號的經歷分析m函數為例。

function HisVar(varargin)

narginchk(0，3)

if nargin==0

clf;

elseif nargin==3

clf;

x=varargin{1};

y=varargin{2};

flag=varargin{3};

switch flag

case 0

bar(x，y);

xlabel(′時間/s′)

title(′振鈴統(tǒng)計′)

ylabel(′振鈴計數′)

……

end

end

bar()函數為二維長條圖繪制函數。調用該函數會調用MATLAB圖形窗口Figure并在Figure中繪制長條圖。

在C#窗體應用程序中封裝一個用于捕捉窗口句柄的類，利用Windows操作系統(tǒng)的窗口函數捕捉Figure窗體句柄，可實現將獨立的Figure窗口嵌入C#窗體中，優(yōu)化混合編程的融合性，增加用戶體驗度[14]。

4 軟件實例

運用.NET程序集的方法實現了聲發(fā)射信號分析處理軟件的開發(fā)。不僅實現對聲發(fā)射信號參數的提取，繪制聲發(fā)射信號參數的經歷分析圖，分布分析圖和關聯(lián)分析圖功能，還利用ADO.NET技術實現對聲發(fā)射信號撞擊文件以及特征參數的數據庫存儲。原始信號數據的撞擊波形文件如圖2所示。聲發(fā)射信號參數提取模塊如圖3所示，點擊“計算”可以實現對導入數據庫中的聲發(fā)射信號的參數提取，包括信號的振鈴計數，上升時間，持續(xù)時間，能量，幅值，RMS，ASL等。圖4是經歷分析模塊的界面[14-17]，展示振鈴計數隨時間的變化。圖5是分布分析界面，展示了所有撞擊信號的幅度分布。圖6是關聯(lián)分析模塊界面，顯示了第四通道信號的RMS關聯(lián)圖。

圖2 聲發(fā)射信號文件

圖3 聲發(fā)射參數計算結果

圖4 經歷分析界面

圖5 分布分析界面

圖6 關聯(lián)分析界面

5 結束語

通過聲發(fā)射信號分析處理程序的實例，對一種基于.NET程序集的C#與MATLAB混合編程的方法進行了研究。其能夠將MATLAB函數轉換為.NET程序集后應用在C#程序中，既可以利用MATLAB強大的科學計算能力來降低聲發(fā)射信號處理算法的開發(fā)難度，又可以利用C#友好的界面設計模塊和代碼執(zhí)行能力來提高聲發(fā)射信號處理分析的效率。給出的操作過程和代碼實例均說明此方法能夠結合MATLAB和C#優(yōu)勢，高效完成聲發(fā)射信號特征參數分析的工作，具有簡單快捷，可實用性強的特點。