基于嵌入式Linux+QT的管道超声导波检测系统图形用户界面设计

柳伟续

（安徽科技学院机械工程学院，安徽滁州233100）

检测与测试

基于嵌入式Linux+QT的管道超声导波检测系统图形用户界面设计

柳伟续

（安徽科技学院机械工程学院，安徽滁州233100）

超声导波检测技术通过单端激励方式，可以实现对管道的长距离、大范围检测，被广泛用于工业无损检测和结构健康监测领域。针对目前导波检测系统图形用户界面跨平台和可移植性差的问题，进行了基于嵌入式L i n u x+QT的管道超声导波检测系统图形用户界面的设计和开发。实验结果表明，该图形用户界面具有可操作性强、运行可靠和界面友好的特点，进一步通过交叉编译工具链可实现对跨平台应用的需要。

超声导波；L i n u x；QT；图形用户界面；管道

作为近年来快速发展的无损检测和结构健康监测新技术-磁致伸缩超声导波检测技术，其通过铁磁性材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现导波信号在波导中的激励与快速检测。相比于局部检测（点对点方式）的传统超声波、射线等检测方法，导波检测通过在管道单端激励导波信号，可以实现沿管道长度方向全截面无损检测，具有检测方式简单，检测精度高，且无需对被检测物进行表面预处理等特点，被广泛用于像钢轨、锚杆、棒材、钢绞线以及各类管道等长类部件的无损检测[1-6]。

目前的导波采集系统，上位机大多采用计算机实现，导致检测仪器笨重、便携性和灵活性差，不利于户外检测。同时进行导波检测主要利用计算机进行常规的数据处理和显示，对计算机资源利用率较低。导波检测系统的采集界面多采用Labview或Delphi或C++Builder等实现，导致开发得到的应用程序跨平台和可移植性差。为此，本文提出进行基于嵌入式Linux+QT的管道超声导波检测系统图形用户界面的设计与开发。

1 系统硬件结构

用于本系统图形用户界面显示的硬件采用高性能AM3517处理器作为系统核心处理器，通过AM3517集成的600 MHz的Cortex-A8内核、NEON SIMD协处理器及POWERVR SGX图形加速器，能够很好满足系统对图形用户界面及检测数据快速处理能力的需要。通过USB3320控制器芯片实现与下位机间USB数据的采集与传递。通过TI的sn75lvds84芯片将来自处理器的TTL/CMOS信号转为抗干扰能力更强的LVDS信号，传输给LVDS接口的人机交互显示屏。系统的硬件组成框图如图1所示。

图1 图形用户界面显示的嵌入式硬件结构框图

下位机用于完成导波信号的激励和接受及与上位机（ARM嵌入式板）的通信，包括信号发生器、功率放大电路组成的导波激励模块以及信号放大电路和滤波采集电路组成的导波接受模块两部分组成。经功率放大电路放大的激励信号，经传感器耦合到管道，得到沿管道传播的导波信号。检测后，得到的回波信号，经信号处理之后，通过USB接口传给上位机处理和图形用户界面显示。

2 图形用户界面设计

2.1 基于QT的图形用户界面设计

QT作为一款跨平台的C++图形用户界面开发框架，具有易扩展、可移植性好和支持多种平台交互开发的特点。作为QT的嵌入式版本，QT/Embedded被广泛运用于各类嵌入式产品和设备的开发[7-8]。管道导波检测系统的图形用户界面开发，主要包含显示控件的设计开发、控件对象间的通信及界面布局的设计。在QT中，图形用户界面通过信号（signal）与槽（slot）函数机制实现各控件之间以及图形用户界面与设备驱动程序（包括USB设备、按键驱动设备等）之间的通信和联系，最终，通过图形用户界面可以实现导波激励信号的参数设置与导波检测信号的分析处理和波形显示。

图形用户界面中设计的不同对象既可以作为信号源也可以作为接收信号的槽函数，根据实际检测的功能需要，合理设置对象的信号与槽属性。这里采用QObject类的connect方法实现将上述信号与槽连接起来，并实现通信的传递机制。通过图形用户界面进行信号传递时，既可以完成一个对象发出信号被多个对象的槽函数接收并响应完成既定任务的功能，也可以实现将同一个对象设定为多个信号源的槽函数。图2显示了对象与对象之间通信的过程。可以看出，对象既可以具有槽函数或者信号的单一属性，也可以具有槽函数和信号的双重属性；一个信号可以对应多个槽函数；一个槽函数也可以接收多个信号。

图2 信号与槽函数的通信

根据检测的功能需求，本文设计的图形用户界面，主要完成导波激励信号的参数设置和所得检测信号的处理显示。通过X86开发平台上QT集成开发环境得到的图形用户界面如图3所示，主要包括功率、周期数、波速、采样率等参数设置的显示控件。控件的布局主要通过QT的布局管理器和窗口分割控件，将上述各控件在主窗口中合理布局实现。检测数据的显示，这里采用功能丰富的第三方绘图库QWT（将绘图库中的QwtPlotCurve曲线类实例化得到显示波形的画图面板，并将其作为主窗口的子类添加到主窗口中）实现，在QT集成开发环境中，通过交叉编译工具链可以实现将X86平台下的图形用户界面交叉编译为不同平台下的可执行程序，例如，这里采用arm-linux-g++交叉编译工具链对上述图形用户界面交叉编译，即可得到嵌入式平台下的可执行程序。

图3 管道导波检测系统图形用户界面

工作时，导波检测系统的图形用户界面通过设备文件节点（Linux对设备的访问是通过文件系统内的设备节点）找到对应的USB驱动程序[9-12]，从而实现激励信号的参数设置及导波检测数据在界面的显示。

3 仿真数据显示实验

为了验证该图形用户界面的有效性和可靠性，这里对由有限元仿真得到的钢管数值仿真数据进行研究。

3.1 样管参数

图4所示为有限元仿真所用钢管结构示意图，上位机为采用嵌入式Linux+QT的ARM开发板。

图4 数值仿真钢管示意图

所用样管为一根长度为3.0 m，外径3.5 cm，内径2.2 cm的钢管。如图4所示，分别在管道上制作了三个人工缺陷：一个钻孔和两个横向切槽，用来模拟实际管道中的腐蚀和缺陷。其中，钻孔至激励节点为50 cm，横向切槽1至激励节点为75 cm，横向切槽2为1.25 m.具体地，人工缺陷参数如表1所示。

表1 样管上的缺陷参数

采用管道单端激励的方式，在有限元仿真软件ABAQUS中，将管道一端节点设为激励节点，其中激励信号采用调制的高斯脉冲信号，相邻单元设为导波信号接收节点，通过设置管道的几何与物理参数、划分网格等步骤得到仿真模型，加载激励载荷，设置仿真时间，经仿真得到上述管道的导波仿真信号。

3.2 实验结果分析

如图5所示，为基于嵌入式Linux+ARM平台的QT图形用户界面显示的有限元仿真结果。可以看出实现了预定的显示功能。

图5 图形用户界面仿真数据显示结果

从图5也可以看出数据显示良好，三个人工缺陷信号明显。进一步，根据波形计算得到的缺陷位置参数如表格2所示，在一定误差范围内，与给定长度参数相一致。

表2 图形用户界面显示结果

4 结束语

本文通过X86平台下的QT集成开发环境开发得到了管道导波检测系统的图形用户界面，通过对此应用程序进行交叉编译，进一步得到了嵌入式Linux+ ARM平台的QT图形用户界面，并实现了对数值仿真所得导波信号的显示。本设计提高了管道导波检测系统图形用户界面的跨平台性和可移植性，为后续得到轻便小巧和便于户外携带的检测系统做了重要准备。

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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

安徽科技学院科研启动项目（ZRC2014457）；校级质量工程项目（X2015034）

柳伟续（1987-），男，安徽滁州人，硕士，助教，主要从事导波无损检测研究。