基于 C++ builder 的高采樣率動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖研究

0 引言

顫振飛行試驗(yàn)是新機(jī)或有重大改型飛機(jī)都必須進(jìn)行的試飛科目，是世界公認(rèn)的Ⅰ類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)試飛科目，所以必須通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控保障飛行安全。顫振試飛與其他試驗(yàn)科目相比，具有風(fēng)險(xiǎn)高、參數(shù)采樣率高的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性以及精確性都要求較高。

在開(kāi)發(fā)顫振試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件過(guò)程中，為了在屏幕上實(shí)時(shí)精確繪制高采樣率顫振參數(shù)時(shí)間歷程曲線，對(duì)高采樣率動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖技術(shù)做了深入研究，并采用C++ builder進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件測(cè)評(píng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)驗(yàn)證，該監(jiān)控軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能實(shí)時(shí)精確顯示高采樣顫振參數(shù)時(shí)域曲線。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

C++ Builder是由Borland公司繼Delphi之后又推出的一款高性能可視化集成開(kāi)發(fā)工具[7],它具有快速的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境：只要簡(jiǎn)單地把控件拖到窗體上，定義它的屬性，設(shè)置它的外觀，就可以快速地建立應(yīng)用程序界面。它內(nèi)置了100 多個(gè)完全封裝了Windows 公用特性且具有完全可擴(kuò)展性(包括全面支持ActiveX控件)的可重用控件。C++ Builder具有一個(gè)專(zhuān)業(yè)C++開(kāi)發(fā)環(huán)境所能提供的全部功能：快速、高效、靈活的編譯器優(yōu)化，逐步連接，CPU透視，命令行工具等，實(shí)現(xiàn)了可視化的編程環(huán)境和功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言(C++)的完美結(jié)合。利用C++ Builder 開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，可以充分利用可視化編程語(yǔ)言的高效、靈活等優(yōu)點(diǎn)，使得開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序具有更好的用戶(hù)界面，適合飛行監(jiān)控使用。

2 高采樣率動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖算法研究及實(shí)現(xiàn)

顫振試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件通過(guò)接收服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)軟件界面上參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)或者手動(dòng)采集。由于顫振參數(shù)為高采樣率速變參數(shù)，如果按照常規(guī)緩變參數(shù)那樣接收每點(diǎn)數(shù)據(jù)都畫(huà)圖的方法在屏幕上實(shí)時(shí)繪制時(shí)間歷程曲線，發(fā)現(xiàn)軟件數(shù)據(jù)顯示常有遲滯現(xiàn)象，并且嚴(yán)重影響軟件數(shù)據(jù)采集精度，因此對(duì)數(shù)據(jù)繪圖方法進(jìn)行優(yōu)化研究，將顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集到內(nèi)存里，并且用數(shù)組來(lái)存放采集數(shù)據(jù)，然后利用TChart控件使用翻頁(yè)方式來(lái)實(shí)時(shí)顯示時(shí)間歷程曲線，每個(gè)頁(yè)面顯示一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線，其中翻頁(yè)時(shí)間間隔(由采樣頻率決定)由定時(shí)器控制，也可以通過(guò)利用接收服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)到達(dá)定值后進(jìn)行翻頁(yè)的繪圖算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 C++ builder控件介紹

2.1.1 TTimer控件

TTimer控件是C++ builder提供的一個(gè)普通計(jì)時(shí)器，使用簡(jiǎn)單方便，但具有兩大缺陷：定時(shí)精度差和消息優(yōu)先權(quán)低。首先，基于Windows計(jì)時(shí)器的硬件計(jì)時(shí)器每隔54.925 ms走1次(約18.2 次/s)，也就是說(shuō)，這種方式的定時(shí)器只能精確到大約55 ms,對(duì)于55 ms以下的時(shí)間精度便無(wú)能為力;另外，由于Windows是基于消息機(jī)制的系統(tǒng)，任何事件的執(zhí)行都是通過(guò)發(fā)送和接收消息來(lái)完成的。

TTimer控件的優(yōu)先權(quán)太低，這樣一旦計(jì)算機(jī)的CPU被某個(gè)進(jìn)程占用，或系統(tǒng)資源緊張時(shí)，發(fā)送到消息隊(duì)列中的WM_TIMER消息就被暫時(shí)掛起，得不到實(shí)時(shí)處理。

2.1.2 多媒體定時(shí)器

多媒體定時(shí)器是由Windows系統(tǒng)提供的毫秒級(jí)定時(shí)器，其定時(shí)精度可達(dá)1 ms.從運(yùn)行基理來(lái)看，多媒體定時(shí)器提供的是硬件中斷服務(wù)，不傳送任何消息，優(yōu)先級(jí)很高。多媒體定時(shí)器使用自己獨(dú)立的線程，調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行處理，但在多媒體定時(shí)器的使用過(guò)程中需要注意的是：在多媒體定時(shí)器處理的線程結(jié)束之前不要再次啟動(dòng)定時(shí)器，否則會(huì)造成死機(jī)。在使用之后一定要?jiǎng)h除定時(shí)器及響應(yīng)的參數(shù)，否則系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)變得很慢。

2.1.3 TChart控件

C++ Builder嵌入了Borland公司產(chǎn)品Delphi的控件TeeChart[10],可以方便地實(shí)現(xiàn)曲線繪制，繪圖功能強(qiáng)大，界面友好。本文利用C++ Builder 自帶的畫(huà)圖控件TChart,它是TeeChart類(lèi)庫(kù)中最主要的類(lèi)，具有11 種標(biāo)準(zhǔn)的Series 類(lèi)型，325 個(gè)屬性，125 個(gè)方法以及28 個(gè)事件，這使得TChart具有非常強(qiáng)大的繪圖功能。

2.2 繪圖算法具體實(shí)現(xiàn)

將顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集到內(nèi)存里，并且用數(shù)組Show-Buff []來(lái)存放采集數(shù)據(jù)，然后利用TChart控件使用翻頁(yè)方式來(lái)實(shí)時(shí)顯示其時(shí)間歷程曲線。TChart 控件中Ad-dXY 函數(shù)和AddArray 函數(shù)都可以來(lái)實(shí)現(xiàn)繪圖功能，但是AddXY 函數(shù)每次調(diào)用都要刷新屏幕，當(dāng)需要實(shí)時(shí)繪圖參數(shù)較多時(shí)會(huì)引起監(jiān)控軟件界面數(shù)據(jù)顯示遲滯現(xiàn)象，因此本文采用用于繪制數(shù)組數(shù)據(jù)曲線的AddArray函數(shù)進(jìn)行繪圖，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)驗(yàn)證表明，AddArray 函數(shù)比AddXY函數(shù)能夠有效提高繪圖效率。

動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖關(guān)鍵代碼如下：

兩種算法實(shí)時(shí)繪圖效果相同，如圖1所示為應(yīng)用于ARJ21 飛機(jī)飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖效果：

該段動(dòng)態(tài)參數(shù)事后處理數(shù)據(jù)繪圖效果如圖2所示。

由圖1、圖2對(duì)比可知，利用本文中高采樣率動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖算法能有效還原真實(shí)信號(hào)，滿(mǎn)足任務(wù)監(jiān)控需求。

3 結(jié)語(yǔ)

文中基于C++ Builder開(kāi)發(fā)的顫振試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于ARJ21飛機(jī)顫振飛行試驗(yàn)中，對(duì)保障飛行安全和任務(wù)完成發(fā)揮了重要作用。實(shí)踐表明，軟件中涉及到的高采樣率動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)繪圖算法能有效還原顯示動(dòng)態(tài)參數(shù)真實(shí)信號(hào)，可應(yīng)用于其他用戶(hù)群體中，如電力系統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等。