电容层析成像系统上位机软件设计.docx

电容层析成像系统上位机软件设计.docx

《电容层析成像系统上位机软件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容层析成像系统上位机软件设计.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电容层析成像系统上位机软件设计

电容层析成像系统上位机软件设计

第28卷第2期

2006年4月

沈阳工业大学

JournalofShenyangUniversityofTechnology

Vo1.28No.2

Apr.2006

文章编号:

1000—1646（2006）02—0146—04

电容层析成像系统上位机软件设计

.

刘水,颜华,董玉岩,张健

（1.沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110023;2.辽宁省水利水电科学研究院,沈阳110003）

摘要:

电容层析系统（ECT）通常可分为两部分:

单片机控制的数据采集系统和装载有图像重建,

图像分析以及ECT系统控制软件的上位计算机.介绍了16极板ECT系统上位机软件的开发设

计.上位机通过串口由数据采集系统获得图像重建所需要的投影数据.采用面向对象的可视化开

发工具VisualC++作为上位机软件编程语言,实现了与数据采集系统的通信,人机交互,在线重

建图像和离线图像分析等功能.说明了软件开发过程中一些关键问题及解决方法,给出ECI"系统

在线重建图像和历史回放的运行示例.

关键词:

电容层析成像;在线图像重建;串口通讯;软件设计;系统调试

中图分类号:

TP274文献标识码:

A

Designofupper-computersoftwareforelectricalcapacitancet~mgraphysystem

LIUShui,YANHua,IX）NGYu—yan,ZHANGJian

（1.SchoolofInformationScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110023,China;

2.ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003,China）

Abstract:

Electricalcapacitancetomography（ECT）canbeusuallydividedintotwoparts:

thedata

acquisitionsystemcontrolledbyasingle—chip—computer,andtheupper—computerwithsoftwareinstalledfor

imagereconstruction,imageanalysisandECTsystemcontro1.Thedevelopmentdesignofupper—computer

softwareintheECTsystembasedon16electrodeswasdescribed.Theupper—computeracquiredthe

projectiondataforimagereconstructionviaaserialcommunicationportfromthedata-acquisition—system.

Thefunctionsofcommunicationwiththedata—acquisition—system,human—computerinteraction,

reconstructingimagesonline,analyzingimagesoffline,wereimplementedthroughobject—orientedVisual

C++.Somekeyproblemsinsoftwaredesignwereilluminated.Examplesaboutonlineimage

reconstructingandhistoryreplayinghadbeengiven.

Keywords:

electricalcapacitancetomography;onlineimagereconstruction;serialcommunication;software

design;systemdebugging

电容层析成像技术通过测量非导电物场内由

于介质分布变化引起的电容值变化来重建物场内

介质分布,可应用于工业中非侵入监视和测量的

很多方面,如管道中的气值,气/固两相流,反应

堆,流化床中的两相流过程监测以及火焰成像等,

是一种很有前途的PT技术【卜引.ECT系统的开

发通常可分为两部分:

以单片机为核心的数据采

集系统（下位机）设计和以成像计算机为核心的上

位机设计.本文主要完成16极板ECT系统的上

位机软件设计.

116极板ECT系统

ECT系统由电容传感器阵列,数据采集系统

收稿日期:

2004—11—29.'

收稿日期:

辽宁省科学技术基金博士启动资助项目（2001102031）.

作者简介:

刘水（1980一）,女,辽宁沈阳人,硕士生;颜华（1964）,女,辽宁沈阳人,教授,博士,主要从事过程层析成像技术与

应用方面的研究.

第2期刘水,等:

电容层析成像系统上位机软件设计147

和成像计算机三个基本部分构成.传感器由绝缘

管道,均匀安装在管道外壁的极板和屏蔽罩构成.

单片机控制的数据采集系统（下位机）包括极板开

关阵列,微小电容检测电路（C/V变换）,A/D转

换器以及与成像计算机（上位机）的通讯接口;成

像计算机利用数据采集系统采集到的投影数据,

采用某种图像重建算法【J,例如线性反投影

（LBP）算法,进行图像重建并显示重建结果.

开发的16极板ECT系统采用上,下位机并

行的工作方式:

以单片机为核心的下位机主要完

成采集投影数据并将数据发往上位机的功能;上

位机为PC机,从下位机接收数据并进行图像重

建.上位机软件是控制系统运行的重要部分,提供

人机交互界面,有在线重建图像和离线分析等功

能.

2ECT系统上位机软件功能与实现

VisualC十十是面向对象的可视化开发工具,

利用其功能强大的集成环境可以方便地设计出用

户友好的操作界面.工业监控系统大多数要求"实

时"地检测,显示与控制,VisualC十+提供了多种

方法,如定时器,多线程,空闲操作等,并且可以方

便地进行串口编程,因此采用VC+十来开发

ECT系统上位机软件,

上位机软件主要完成人机接口,图像重建任

务,并与下位机通信,控制下位机运行状态,可分

为主程序模块,成像模块和通讯模块三大部分.主

程序模块完成界面显示,人机接口,各模块调用,

输出控制等功能;成像模块完成图像重建,图像显

示,图像结果分析等功能;通讯模块除了接收下位

机数据还向下位机发出由人机接口控制的自检,

空管标定等命令,用户可以随时进行空,满管

标定,标定的电容值自动存储到文本文件供以后

成像使用,

上位机软件有两种工作模式:

在线重建图像

和对存储到数据文件中的历史数据进行回放,分

析.在线重建图像模式下,上位机从串I:

1获得下位

机数据并将采集的120个电容值以柱状图的形式

实时直观地显示其大小;对所获得的投影数据根

据用户选择的图像重建算法进行图像重建,在线

显示管道截面介质分布情况;在实时图像重建的

同时,用户随时可以将当前电容数据按一定的格

式存储到以时间命名的数据文件（*.dat）中;图

像重建所需的灵敏度矩阵,有限元网格坐标和空/

满管电容值等数据由用户通过文件打开对话框导

入.灵敏度矩阵和网格坐标文件是由有限元分析

软件输出的文本文件.

历史数据回放,分析模式下,用户可以打开在

线测量时存储的数据文件,对历史数据进行图像

重建,离线分析流型变化情况;可选择对历史数据

重建图像进行自动,单帧两种形式回放.并能控制

图像的播放进度,向前,向后,首帧,尾帧以及暂停

/继续播放等.

菜单,按钮和对话框等组件是实现人机交互

操作的重要方式,利用VC十+的可视化集成开

发环境可以方便地设计出组织合理的应用程序界

面,实现以上各项功能.

3软件设计要点

软件编制过程中要协调各个模块问的关系,

正确进行模块间数据通信,实现数据采集和图像

重建的并行处理.

3.1串口通信

串行通讯是实现计算机与其外部设备之间的

数据传输功能的有效途径,它具有使用方便,数据

传输可靠,适用于远距离传输等特点.所设计的

ECT系统采用RS.232进行上,下位机通信,下位

机按照事先约定的通讯协议连续向串口发送数

据,上位机负责接收由串口传来的数据并进行处

理.

利用VC十+实现串行通信主要有两种途

径:

一是利用ActiveX控件MSComm;二是使用

wjnAPI通信函数进行串口操作.控件的特点是

使用方便,容易掌握,但由于必须拿到对话框中使

用,在一些需要在线程中实现通信的应用场合下,

控件就显得捉襟见肘.API是附带在Windows内

部的一个极其重要的组成部分,是一系列很复杂

的函数和消息集合,利用它可以开发出更加灵活

的应用程序7J,

本文选用API函数进行编程.API函数对串

口进行操作不是对端口直接进行读写,而是把端

口看成文件,进行相应的文件操作.VC十十提供

了CreateFile（）,SetCommState（）,ReadFile（）与

writeFile（）等一系列函数实现串口的打开,设置

和读写等操作.具体使用方法可见参考文献[8].

16极板ECT系统数据量大,采集速度快,实

时性高,要求上位机软件对串口进行实时监控.为

此采取端E1中断的异步方式,只要一有数据到达

端E1,马上抛出中断请求,中断处理函数便会及时

启动以处理到来的数据,从而避免了轮询间隙丢

148沈阳工业大学第28卷

失数据的可能.

3.2实时数据采集和图像重建的并行处理

ECT上位机软件要在实时采集数据的同时

进行图像重建并显示,这就需要把采集与显示进

行同步.对于抢占式多任务操作系统Windows来

说,利用多线程技术,把采集与显示放到不同的线

程中实现,只需解决两者问的协调同步,就可以满

足采集与显示的实时性.线程是操作系统分配

CPU时间的基本实体,系统把CPU的时间分成

很短的片段分配给每个线程,系统不停的在线程

之间切换.这样给人的感觉好像是多个线程在同

时运行,从而实现并行操作.

在本软件中,将数据采集放在工作线程,下位

机不断将数据发往上位机,上位机采取被动的方

式接收数据;图像重建,显示及数据保存等任务放

在主线程中.两者通过全局数据对象进行数据共

享,数据采集线程源源不断将数据送到共享数据

缓冲区,同时主线程从缓冲区中读取实时数据进

行图像重建及显示.

为了解决采集与显示的实时同步,必须首先

解决两线程访问共享数据的问题,避免两个线程

同时访问缓冲区,造成混乱.程序用临界区Criti—

calSection作为两线程问共享全局数据时的同步

对象.利用c++类封装所需的共享数据缓冲区

及同步对象,以解决全局数据对象在数据存取和

提取数据两种操作上的相互协调问题_9_9.

综上所述,数据采集和显示的并行处理如图

1所示.

图1数据采集和图像显示的并行处理框图

Fig.1Diagramofdataacquisitionandimage

displayinparallel

回放.图像重建所需要的灵敏度矩阵由有限元分

析法得到,计算时采用的高,低两相相对介电常数

分别为e^=4（PVC材料）,e,=1（空气）.为满足

一

定的分辨率,图像重建区域划分为784个像素.

图2和图3分别给出了在线测量和历史数据

回放的运行示例,其中在线测量时选择成像速度

较快的线性反投影（LBP）算法,历史数据回放选

择成像精度较高的Landweber迭代算法[10].

图2在线测量运行示例

Fig.2Exampleofonlinemeasuring

—田藤柏匝黜甲即■研辑■《i鞲