基于嵌入式Linux+QT的管道超聲導波檢測系統圖形用戶界面設計

柳偉續

（安徽科技學院機械工程學院，安徽滁州233100）

檢測與測試

基于嵌入式Linux+QT的管道超聲導波檢測系統圖形用戶界面設計

柳偉續

（安徽科技學院機械工程學院，安徽滁州233100）

超聲導波檢測技術通過單端激勵方式，可以實現對管道的長距離、大范圍檢測，被廣泛用于工業無損檢測和結構健康監測領域。針對目前導波檢測系統圖形用戶界面跨平臺和可移植性差的問題，進行了基于嵌入式L i n u x+QT的管道超聲導波檢測系統圖形用戶界面的設計和開發。實驗結果表明，該圖形用戶界面具有可操作性強、運行可靠和界面友好的特點，進一步通過交叉編譯工具鏈可實現對跨平臺應用的需要。

超聲導波；L i n u x；QT；圖形用戶界面；管道

作為近年來快速發展的無損檢測和結構健康監測新技術-磁致伸縮超聲導波檢測技術，其通過鐵磁性材料的磁致伸縮效應及其逆效應實現導波信號在波導中的激勵與快速檢測。相比于局部檢測（點對點方式）的傳統超聲波、射線等檢測方法，導波檢測通過在管道單端激勵導波信號，可以實現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行表面預處理等特點，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]。

目前的導波采集系統，上位機大多采用計算機實現，導致檢測儀器笨重、便攜性和靈活性差，不利于戶外檢測。同時進行導波檢測主要利用計算機進行常規的數據處理和顯示，對計算機資源利用率較低。導波檢測系統的采集界面多采用Labview或Delphi或C++Builder等實現，導致開發得到的應用程序跨平臺和可移植性差。為此，本文提出進行基于嵌入式Linux+QT的管道超聲導波檢測系統圖形用戶界面的設計與開發。

1 系統硬件結構

用于本系統圖形用戶界面顯示的硬件采用高性能AM3517處理器作為系統核心處理器，通過AM3517集成的600 MHz的Cortex-A8內核、NEON SIMD協處理器及POWERVR SGX圖形加速器，能夠很好滿足系統對圖形用戶界面及檢測數據快速處理能力的需要。通過USB3320控制器芯片實現與下位機間USB數據的采集與傳遞。通過TI的sn75lvds84芯片將來自處理器的TTL/CMOS信號轉為抗干擾能力更強的LVDS信號，傳輸給LVDS接口的人機交互顯示屏。系統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構框圖

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

2 圖形用戶界面設計

2.1 基于QT的圖形用戶界面設計

QT作為一款跨平臺的C++圖形用戶界面開發框架，具有易擴展、可移植性好和支持多種平臺交互開發的特點。作為QT的嵌入式版本，QT/Embedded被廣泛運用于各類嵌入式產品和設備的開發[7-8]。管道導波檢測系統的圖形用戶界面開發，主要包含顯示控件的設計開發、控件對象間的通信及界面布局的設計。在QT中，圖形用戶界面通過信號（signal）與槽（slot）函數機制實現各控件之間以及圖形用戶界面與設備驅動程序（包括USB設備、按鍵驅動設備等）之間的通信和聯系，最終，通過圖形用戶界面可以實現導波激勵信號的參數設置與導波檢測信號的分析處理和波形顯示。

圖形用戶界面中設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，根據實際檢測的功能需要，合理設置對象的信號與槽屬性。這里采用QObject類的connect方法實現將上述信號與槽連接起來，并實現通信的傳遞機制。通過圖形用戶界面進行信號傳遞時，既可以完成一個對象發出信號被多個對象的槽函數接收并響應完成既定任務的功能，也可以實現將同一個對象設定為多個信號源的槽函數。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或者信號的單一屬性，也可以具有槽函數和信號的雙重屬性；一個信號可以對應多個槽函數；一個槽函數也可以接收多個信號。

圖2 信號與槽函數的通信

根據檢測的功能需求，本文設計的圖形用戶界面，主要完成導波激勵信號的參數設置和所得檢測信號的處理顯示。通過X86開發平臺上QT集成開發環境得到的圖形用戶界面如圖3所示，主要包括功率、周期數、波速、采樣率等參數設置的顯示控件。控件的布局主要通過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現。檢測數據的顯示，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）實現，在QT集成開發環境中，通過交叉編譯工具鏈可以實現將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行程序。

圖3 管道導波檢測系統圖形用戶界面

工作時，導波檢測系統的圖形用戶界面通過設備文件節點（Linux對設備的訪問是通過文件系統內的設備節點）找到對應的USB驅動程序[9-12]，從而實現激勵信號的參數設置及導波檢測數據在界面的顯示。

3 仿真數據顯示實驗

為了驗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值仿真數據進行研究。

3.1 樣管參數

圖4所示為有限元仿真所用鋼管結構示意圖，上位機為采用嵌入式Linux+QT的ARM開發板。

圖4 數值仿真鋼管示意圖

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，用來模擬實際管道中的腐蝕和缺陷。其中，鉆孔至激勵節點為50 cm，橫向切槽1至激勵節點為75 cm，橫向切槽2為1.25 m.具體地，人工缺陷參數如表1所示。

表1 樣管上的缺陷參數

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

3.2 實驗結果分析

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果。可以看出實現了預定的顯示功能。

圖5 圖形用戶界面仿真數據顯示結果

從圖5也可以看出數據顯示良好，三個人工缺陷信號明顯。進一步，根據波形計算得到的缺陷位置參數如表格2所示，在一定誤差范圍內，與給定長度參數相一致。

表2 圖形用戶界面顯示結果

4 結束語

本文通過X86平臺下的QT集成開發環境開發得到了管道導波檢測系統的圖形用戶界面，通過對此應用程序進行交叉編譯，進一步得到了嵌入式Linux+ ARM平臺的QT圖形用戶界面，并實現了對數值仿真所得導波信號的顯示。本設計提高了管道導波檢測系統圖形用戶界面的跨平臺性和可移植性，為后續得到輕便小巧和便于戶外攜帶的檢測系統做了重要準備。

[1]S.Chaki，G.Bourse．Guided ultrasonic waves for non-de structive monitoring of the stress levels in prestressed steel strands[J]．Ultrasonics，2009，（49）：162-171.

[2]周建民，徐清瑤，李鵬，等.鋼軌無損檢測中的超聲導波技術[J].儀表技術與傳感器，2015，（6）：99-102.

[3]趙華赟.超聲導波在鋼絞線中傳播特性研究及應用[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[4]石小何，井然，嚴有琪.超聲導波檢測管道缺陷的實驗研究[J].化工裝備技術，2014，35（1）：58-60.

[5]鄭國軍.磁致伸縮導波管道無損檢測數字信號處理關鍵技術[D].杭州：浙江大學，2013.

[6]劉洋.磁致伸縮導波錨桿無損檢測實驗研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[7]游燕珍，趙國鋒，徐川.基于QT/E的嵌入式GUI的研究及其移植[J].微計算機信息，2008，24（52）：61-63.

[8]BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C++GUIProgramming with Qt4[M].2th ed.New Jersey，USA：Prentice Hall Press，2008.

[9]CORBET J，Rubini A，KROAH-HARTMAN G.Linux Device Drivers[M].3th ed.California，USA：O'Reilly Press，2005.

[10]劉文峰，李程遠，李善平.嵌入式Linux操作系統的研究[J].浙江大學學報：工學版，2004，38（4）：447-452.

[11]張鵬，孫世磊，劉瑞北，等.LINUX+ARM下的USB驅動開發[J].計算機工程與科學，2006，28（3）：106-107.

[12]董立亭，劉朝林.基于嵌入式Linux數據采集系統的設計[J].成都信息工程學院學報，2008，23（4）：401-405.

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

安徽科技學院科研啟動項目（ZRC2014457）；校級質量工程項目（X2015034）

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