MATLAB繪圖窗嵌入.NET項目混合編程

王文斌，剡昌鋒＋，劉朝陽，2，張 凱，3

（1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州730050；2.東南大學 機械工程學院，江蘇 南京211189；3.大連理工大學 機械工程學院，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 進行相關數(shù)據(jù)庫操作等。這樣既結合了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 技術的VC 與MATLAB混合編程的一般鏈接方法，并將其應用于圖像處理中，得到較好的結果；P.Bisták［3］基于C＃.NET 技術與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)中的應用；焦綱領等［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 回路的訓練工具；秦健等［6］將C＃.NET 與MATLAB 混合編程應用于探空數(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混合編程技術應用到開合成發(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提供的自動化服務要更好。

盡管MATLAB與其它語言混合編程的應用很多，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)場采集的設備運行信號進行諸如幅值譜、功率譜以及自相關函數(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，做出相應的回應，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)的結果是在MATLAB 繪圖窗口中，則會彈出一個獨立于C＃應用程序窗體的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窗體設計界面中添加一個ElementHost控件，并設置好大小。

（2）在項目中添加一個 “用戶控件 （WPF）”的新項，并設置好名稱，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，并設置Width 和Height與 （1）中ElementHost的大小一致。將UserControl和Grid 的大小也設為同樣的大小。

（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）設置的UserControl1設置為其所承載的內(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）捕捉窗體并設置窗體風格時需要用到的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 應用程序中添加嵌入子窗體的代碼

在應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 程序設計示例

汽輪發(fā)電機組在電力生產(chǎn)中屬于極其重要設備，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。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，兩者結合于同一界面，極大的方便了設備狀態(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。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版本的MATLAB與VisualStudio的計算機上運行，則需要安裝 相 應 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。

［1］ZHANG Liang，HE Yexi.Research and application of hybrid programming with Matlab，Access and VB.NET ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （5）：1232－1235 （in Chinese）.［張良，何也熙.Matlab、Access和VB.NET 混合編程方法的研究和應用 ［J］.計算機工程與設計，2009，30（5）：1232－1235.］

［2］WANG Haigang，ZHANG Kunyu，ZHANG Yanjia，et al.Aplication of mixed programing With VC and MATLAB in image processing ［J］.Computer Applications and Software，2012，29 （1）：273－275 （in Chinese）. ［王海崗，張坤宇，張雁佳，等.VC 與MATLAB 混合編程在圖像處理中的應用［J］.計算機應用與軟件，2012，29 （1）：273－275.］

［3］Bistak P.Advanced remote laboratory for control systems based on Matlab and.NET platform ［C］／／IEEE 11th International Conference on Emerging eLearning Technologies and Applications.IEEE，2013：35－39.

［4］JIAO Gangling，DENG Jianhui，HAN Xiao.Hybrid programming of VisualC＃.NET and MATLAB ［J］.Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2008，23 （1）：109－111 （in Chinese）. ［焦綱領，鄧建 輝，韓嘯.MATLAB與Visual C＃.NET 混合編程 ［J］.海軍航空工程學院工程學報，2008，23 （1）：109－111.］

［5］QIN Jian，WANG Ping，TU Xuewei，et al.Application of integrated programming between C＃.NET and MATLAB in atmosphere sounding data contrast［J］.Meteorological，Hydrologicaland Marine Instruments，2009 （2）：56－62 （in Chinese）.［秦鍵，王萍，涂雪偉，等.C＃.NET 與MATLAB混合編程在探空數(shù)據(jù)對比中的應用 ［J］.氣象水文海洋儀器，2009 （2）：56－62.］

［6］Bayindir R，Kaplan O，Can C.C＃.NET and MATLAB based simulation program for basic electrical circuits［C］／／International Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics and Electromotion Joint Conference.IEEE，2011：430－435.

［7］CHEN Huajie，SHI Junfeng，LIN Yuesong.VC＼ Matlab mixed programming based on COM and its application in SAR image classification ［J］.Journal of Mechanical ＆ Electrical Engineering，2011，28 （11）：1377－1381 （in Chinese）.［陳華杰，史俊峰，林岳松.基于COM 的VC／Matlab混合編程及其在SAR 圖像分類中的應用 ［J］.機電工程，2011，28 （11）：1377－1381.］

［8］YAO Guangqiang，CHEN Liping.Integrated programming between C＃and Matlab based on component object model［J］.Computer Engineering，2008，34 （14）：87－89 （in Chinese）.［姚光強，陳立平.基于COM 技術的C＃與Matlab混合編程［J］.計算機工程，2008，34 （14）：87－89.］

［9］WU Huanrui，CHE Zihui.C＃.NET calling Matlab on hybrid programming ［J］.Computer Study，2010 （4）：93－94 （in Chinese）.［吳煥瑞，車紫輝.C＃.NET 調(diào)用Matlab進行混合編程 ［J］.電腦學習，2010 （4）：93－94.］

［10］WANG Huibin.Fault diagnostic expert system of turbine generator sets based on rule reasoning and case reasoning ［D］.Lanzhou：Lanzhou University，2014：1－2 （in Chinese）.［王慧濱.基于規(guī)則和案例推理的汽輪發(fā)電機組故障診斷專家系統(tǒng) ［D］.蘭州：蘭州理工大學，2014：1－2.］