基于Qt的空耦超声探伤系统上位机软件设计_侯清.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期超声检测在无损探伤领域应用广泛，而空气耦合（以下简称“空耦”）超声检测方式针对传统水浸式超声检测必须使用水作为耦合介质这一缺点，使用空气作为耦合介质的新型非接触无损检测技术1，广泛应用于新型复合材料检测。该软件是用于空耦超声检测系统的专门软件，能够完成控制超声信号的发射、采集、数据传输、数据显示、数据保存等功能。通过软件发出信号控制超声波发射装置发射超声波到待测材料上，超声波接采集模块将超声回波数据采集到FPGA中，上位机对数据读取处理，实现空耦超声检测数据实时A扫成像及实时C扫成像，根据成像结果判断材料是否存在损伤。本文详细介绍了上位机软件设计与实现。1上位机软件设计1.1软件需求分析空耦超声检测系统上位机是为了配合硬件系统，保障顺利完成整个装置对被检材料的探伤任务。空耦超声探伤软件与下位机根据预定的通信协议，下发控制指令，接收探伤数据，同时在工作过程中监测下位机运行状态、接收超声波探伤数据，并通过处理探伤数据对被检材料进行缺陷识别显示2。通过分析，上位机需要实现的功能主要如下：1）选择合适的通信方式使上位机软件与探测器设备建立稳定的通信，并确保数据传输过程的准确性与稳定性。选用适当的通信方式，以保证软件与下位机之间数据传输的精确度和稳定性2-3；2）根据通信协议发送下位机控制指令数据，并实时检测下位机工作状态；3）超声波采集数据实时A扫描显示；4）超声波采集数据C扫描成像；5）超声检测数据的保存。1.2软件模块设计按照对软件需求的分析，将软件功能划分通信、指令控制、实时数据显示、数据存储功能。根据不同功能来进行模块化的设计，降低软件系统耦合度。整个软件功能具体可以分为五个模块：参数设置模块、运动控制模块、串口通信模块、数据存储模块、实时显示模块4。上位机软件模块设计如图1所示：图1上位机模块设计1.3软件整体架构设计在进行软件体系设计时，使用模块化思想，多层架构设计，减少系统功能之间的依赖性，降低了软件开发难度，提升软件的可扩展性。上位机软件架构自顶向下由UI界面层、逻辑处理层与数据通信层组成，UI界面层是进行人机交互的操作界面，负责获取用户输入，同时更新UI信息，实时显示数据；数据通信层基于 Qt 的空耦超声探伤系统上位机软件设计Software Design of Host Computer for Air-coupled UltrasonicFlaw Detection System Based on Qt侯清王浩全李凯丰（中北大学信息与通信工程学院，山西 太原030051）摘要：基于空气耦合超声探伤系统实现数据采集和可视化以及系统控制目的，使用C+语言和Qt开发工具设计上位机软件，通过CH340芯片转UART接口进行采集数据的读取，进而实现数据转换、存储、实时显示等功能。该软件利用C+语言面向对象特性和Qt界面开发快速的优点，提高软件开发效率及可扩展性。实际运行结果表明，软件各模块功能运行良好，采集数据接收处理准确快速，上位机长时间连续工作稳定运行，缺陷成像结果与实际缺陷一致，基本符合空气耦合超声探伤系统设计要求。关键词：Qt；空气耦合超声；上位机软件；数据采集；可视化Abstract:Based on the air-coupled ultrasonic flaw detection system to achieve data acquisition and visualization andsystem control purposes,use C+language and Qt development tools to design the host computer software,and read theacquired data through the CH340 chip to the UART interface,thereby realizing data conversion,storage,and real-time dis-play.and other functions.This software makes full use of the object-oriented features of C+language and the advantagesof rapid development of Qt interface,which greatly improves the efficiency and scalability of software development.The ac-tual operation results show that the functions of each module of the software work well,the collected data is received andprocessed accurately and quickly,the host computer runs stably for a long time continuously,and the defect imaging re-sults are consistent with the actual defects,which basically meet the design requirements of the air-coupled ultrasonic flawdetection system.Keywords:Qt,Air-coupled ultrasound,upper computer software,data acquisition,visualization35基于Qt的空耦超声探伤系统上位机软件设计负责和下位机通信，接收下位机数据以及向硬件设备传输协议命令；逻辑处理层起到承上启下的作用，负责连接用户界面层和数据通信层，同时该层完成业务核心逻辑的处理。如图2所示：图2软件总体架构1.4软件界面设计软件界面是人机交互最直观的一部分，合理的界面设计能为使用者提供更好的互动体验。在进行界面设计时，既要注意控件的合理布局，又要将各模块进行分区管理，以提高用户人机交互体验，帮助用户更好地管理和控制超声探伤试验的过程。上位机界面主要由六个部分构成，分别为通信设置模块、参数控制模块、数据保存模块、时域成像模块以及频域成像模块。2上位机功能具体实现2.1多线程技术线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，是进程的实际运作单位，一个进程中包含一个主线程，同时进程中可以添加多个辅助线程，不同的线程独立执行不同的任务，线程之间共享内存、代码段、数据等信息，从而提高了程序的执行效率5。由于空耦超声检测软件工作时，会出现同时进行多个相对独立任务的情况，如在数据可视化模块中，我们需要对数据 进 行 不 同 角 度 的 可 视 化 显示，在同一时刻对同一数据进行并行处理，以达到不同的可视化方法对数据的同时显示6。为了提高软件的运行效率，防止主界面卡死，软件必须采用多线程的开发方式。2.2通信模块串口通信具有普及率高、开发简单、数据传输安全等优点，在 工 业 领 域 有 着 广 泛 应 用。QSerialPort是Qt提供的串口通信类，包含串口操作的各种接口函数7，可查找PC端可用串口，并对波特率、数据位、奇偶校验位、停止位等参数行设置。上位机串口通信流程如图3所示。2.3参数设置模块上位机控制下位机通过现场可编程门阵列（FPGA）来实现，上位机与FPGA约定通信协议，通过数据发送线程将主要参数设置信息封装为协议数据，下位机FPGA接收并解析数据，执行相应操作设置，进行数据采集8。如图4所示：图4参数设置流程图主要参数设置如下：1）超声波发射频率，设置范围为100 kHz到10 MHz；2）输入增益，调整范围为0到80 dB；3）采样频率，设置范围为1 MHz到50 MHz；4）采样长度，截取超声波采样数据；5）采样点数，设置超声C扫图范围；6）平均滤波次数，平均滤波滤除随机噪声。2.4绘图模块探伤数据实时A型显示及C型显示是空耦超声检测上位机最主要的功能，软件采用Qt信号与槽机制实现采集数据的实时处理及传输，Qcustomplot进行实时绘图。A型显示是利用超声波的幅度值信息来判别试件里面是否含有缺陷以及缺陷大小等信息9。C型显示是根据超声波探伤基本原理，在指定工作路径下，对被检工件进行逐点扫描处理。C扫描检测能够十分直观地识别缺陷，并且定位缺陷的具体位置9。如图5所示：图5超声C扫示意图本软件采用时域幅值特征值以及频域幅值特征值进行绘图成像，流程如图6所示。图3串口通信流程36工业控制计算机2023年第36卷第2期2.5数据存储模块当选择保存数据时，软件会在debug文件夹中自动以当前系统时间命名创建csv文件，并在上位机界面弹出保存提示，同时数据保存标识符置1，在数据处理线程中，当判断到数据保存标识符为1时，会将超声探伤数据不断填写到创建的csv文件中。3系统测试打开界面，设置串口参数，与下位机建立通信连接，根据待测材料的长短、面积，在参数设置设定电机的步进值、采集点数、采样长度等相关参数信息。若需保存采集到的数据文件，需在采集数据前，选择保存数据到文件功能，软件会根据当前时间自动在debug文件夹中以当前时间命名创建.csv文件保存数据。扫查材料如图7所示：图7扫查材料空耦超声探伤软件扫查结果如图8、图9所示。本上位机软件经过运行，数据采集稳定，能够正确读取下位机采集数据并按要求进行数据处理10，绘图模块能正确显示材料缺陷部位，达到了设计预期的要求。4结束语本文针对空耦超声探伤系统要求设计了基于Qt的上位机软件。通过多线程技术解决软件实时成像及数据量大问题，实现超声C扫时域及频域的缺陷成像。经过多次测试，本文所设计开发的空耦超声探伤软件性能稳定、操作简便，成像结果准确，较好地满足了空耦超声探伤系统的要求。参考文献1董方旭，凡丽梅，赵付宝，等.空气耦合超声检测技术在复合材料检测中的应用J.无损探伤，2022，46（1）：10-132孙洁茹，陈晓宁，王健，等.基于Qt的探测器温控上位机软件设计J.安徽大学学报（自然科学版），2022，46（1）：61-673邓玲敏，张鹏，朱继勇，等.基于LabVIEW的智能灌溉上位机数据监测子系统的设计J.信息通信，2019（11）：113-1154林君健，邱清昉，张玉春，等.基于Linux Qt的机器视觉软件架构设计J.机床与液压，2019，47（17）：16-215刘浩，方含章，方青.一种嵌入式软件并行处理框架设计J.电脑知识与技术，2022，18（2）：64-686任丽垒.基于PYQT的水压致裂地应力测量软件设计与实现D.北京：中国地质大学（北京），20217康谦泽，李桂林，李佳萌，等.基于Qt的埋设机探测器上位机设计与实现J.工业控制计算机，2022，35（5）：13-14，178李鸣谦，蓝若明，翟光杰.基于C#的超声数据采集系统上位机软件设计J.电子设计工程，2017，25（22）：190-1939张曼.基于空耦超声的锂电池检测技术研究D.太原：中北大学，202010甘亚鹏，方磊.基于C#的ADC数据采集上位机J.计算机光盘软件与应用，2014，17（13）：67-68收稿日期：2022-06-20图8时域扫查图图9频域扫查图图6实时绘图流程37