【編者按】很好地利用了VC 和Matlab語(yǔ)言各自所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)存站，巧妙地解決了VC 和Matlab語(yǔ)言的接口實(shí)現(xiàn)問(wèn)題萌小，利用混合編程的思想開(kāi)發(fā)了基于HMM的機(jī)床切削顫振趨勢(shì)預(yù)報(bào)軟件。實(shí)際應(yīng)用證明滚曾，該軟件具有一定的理論價(jià)值和較強(qiáng)的實(shí)用性狱心。

　　1 概述

　　HMM是一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)模型，推理過(guò)程很復(fù)雜制依，涉及大量的矩陣運(yùn)算音诫。而Matlab在矩陣運(yùn)算方面具有卓越的性能，因此可以考慮用Matlab工具來(lái)開(kāi)發(fā)HMM的主體程序雪位。但Matlab是基于解釋性的語(yǔ)言竭钝，執(zhí)行效率不高。于是考慮到C的執(zhí)行效率雹洗，巧妙地解決了C和Matlab語(yǔ)言的接口實(shí)現(xiàn)方法香罐，利用混合編程的思想開(kāi)發(fā)了基于HMM的機(jī)床切削顫振趨勢(shì)預(yù)報(bào)軟件。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，利用MicrosoftVisualC來(lái)設(shè)計(jì)界面庇茫，調(diào)用Matlab中的程序來(lái)完成相關(guān)的計(jì)算功能港粱。

　　2 VC與Matlab的接口實(shí)現(xiàn)方法

　　atlab附有功能強(qiáng)大的工具(五金工具產(chǎn)業(yè))箱，它的函數(shù)性能是非常完善和穩(wěn)定的旦签，但Matlab主要是面向分析運(yùn)算而不是綜合型的開(kāi)發(fā)查坪。于是人們便利用Matlab和C各自所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)來(lái)開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的軟件。Matlab提供了C/C數(shù)學(xué)庫(kù)宁炫，其中的C數(shù)學(xué)庫(kù)的功能很強(qiáng)偿曙，使用它可以用類(lèi)似Matlab語(yǔ)言的語(yǔ)法編寫(xiě)C程序，十分方便淋淀。雖然在速度上仍然比普通的C/C程序慢馁胁，但由此帶來(lái)的高的開(kāi)發(fā)效率和計(jì)算可靠性是值得的。

　　在VisualC的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用Matlab萍卑，可以利用Mat-lab的數(shù)學(xué)庫(kù)將Matlab的程序編譯成VisualC編譯器所能識(shí)別的源代碼，并嵌入到VisualC 環(huán)境架看。如果熟悉Matlab的C/C數(shù)學(xué)庫(kù)爬韧，則可以直接在VisualC環(huán)境下編寫(xiě)代碼。將VisualC和Matlab集成進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)一般有如下幾種方法：

　　2.1 通過(guò)Matlab引擎將VC和Matlab集成

　　Matlab引擎采用客戶和服務(wù)器計(jì)算方式锦列，在運(yùn)用中奏喜，VC的C語(yǔ)言或C 語(yǔ)言的程序作為前端客戶機(jī)，它向Matlab引擎?zhèn)鬟f命令和數(shù)據(jù)信息誊预，并從Matlab引擎接收數(shù)據(jù)信息效益，它提供了下列幾個(gè)函數(shù)：engOpen，engGetArray寡瘩，engPutArray缔道，engEvaString，en-gOutputBuffer管书，engClose與客戶機(jī)進(jìn)行交互享甸。

　　下面例程是在VC下建一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序，在對(duì)話框中設(shè)置一個(gè)Button控件OnMatlabEngine梳侨，在對(duì)話框蛉威。Cpp文件中加入"engine.h"和"Math.h"頭文件(程序清單略略)。程序在VC下編譯需要將libeng.dll和 libMx.dll兩個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)利用以下的命令：lib/def：<自己的Matlab的安裝路徑走哺，下同>d：\MAT-LAB6p5 \extern\include\.def/Machine：ix86/out：蚯嫌。lib來(lái)生成程序所需的靜態(tài)連接庫(kù)libeng.lib和 libMx.lib，將libeng.lib和libMx.lib所在的目錄加入VC project/link/object /libraryModules下即可丙躏。

　　2.2 利用Matlab自身的編譯器

　　Matlab的編譯器可將Matlab的M文件轉(zhuǎn)換為C或C 的源代碼以產(chǎn)生完全脫離Matlab運(yùn)行環(huán)境的獨(dú)立的運(yùn)用程序择示，當(dāng)Matlab的編譯器MCC加入適當(dāng)?shù)膮?shù)-e(MCC-e.)或 -p(MCC-p.)就可生成將輸入的M文件轉(zhuǎn)換為適用于特定運(yùn)用的C或C 源代碼。這樣如果要在VC下編譯通過(guò)，還需連入以下幾個(gè)庫(kù) libMMfile.dll对妄，libMatlb.dll湘今，libMCC.dll，libMat.dll剪菱，libMx.dll摩瞎，libMibut.dll以及MatlabCmath庫(kù)，建議采用前述的方法將動(dòng)態(tài)連接改為靜態(tài)連接渗某。對(duì)于C/C 編譯環(huán)境的設(shè)置磕糙，在Matlabcommand窗口下運(yùn)行 mex-setup然后依提示操作，而對(duì)于C/C 連接環(huán)境的設(shè)置折焙，運(yùn)行mbuild-setup依提示操作即可晶睦。

　　下面給出利用編譯器將Matlab工具箱中psd.m文件生成可供VC調(diào)用的函數(shù)。

　　(1)將psd.m文件拷貝一份至MATLAB6p5\bin目錄下层漠，改寫(xiě)相應(yīng)調(diào)用的M文件如nargchk.m爱茫，hanning.m等。為生成的代碼簡(jiǎn)潔涨旨，對(duì)于采集數(shù)據(jù)處理輸入?yún)?shù)很明了的情況下可作大量的刪減慰沸，最終使psd.m成為一個(gè)不依賴于其它M文件的獨(dú)立的M文件，注意要注釋掉作圖代碼槽叮。

　　(2)假設(shè)上述代碼重新存為testwin.m磷像，在Matlabcommand窗口下設(shè)置好環(huán)境參數(shù)運(yùn)行mcc-etestwin，則可在MATLAB6p5\bin下生成testwin.c津贩，如運(yùn)行mcc-ptestwin則生成testwin.cpp.

　　(3)VC下建立一個(gè)基于對(duì)話框的文件邦匆，然后在對(duì)話框里加一個(gè)Button控件OnButtonPsd，將上述生成的尝江。c文件的頭文件加入到工程的涉波。cp.

　　2.3 利用MATCOM和VC集成

　　MATCOM編譯M文件，先將M文件按照與MATCOM的cpp庫(kù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系翻譯為cpp源代碼茂装，然后用對(duì)應(yīng)版本的C編譯器將cpp文件編譯成相應(yīng)的 exe或dll文件怠蹂，所以第一次運(yùn)行要指定C編譯器的路徑，否則無(wú)法編譯少态，指定好的編譯信息就寫(xiě)在MATCOM\bin\matcom.ini文件中城侧，不過(guò)這一步在安裝MATCOM時(shí)，它自動(dòng)尋找編譯器并將其寫(xiě)入matcom.ini文件中彼妻，MAT-COM4.5版中使用TeeChart3.0.OCX控件嫌佑，因而它支持圖形操作。

　　我們依然用上述的testwin.m文件侨歉，不要將圖形函數(shù)注釋掉屋摇，利用Mideva來(lái)生成可被VC調(diào)用的信號(hào)處理程序。

　　(1)運(yùn)行Mideva在主界面上直打開(kāi)M文件，在菜單中選擇compiletodll炮温，輸入testwin.在matcomdebug目錄下可以找到這樣的幾個(gè)文件：testwin.c火脉，testwin.h，testwin.cpp茸汇，estwin.lib品糯，testwin.dll，testwin.exp等;(2)將上述testwin.cpp和testwin.h加入工程中居饵，project/addtoproject/files并且在相應(yīng)的文件中加入"stdafx.h";(3)加連接庫(kù)：Tools\option\directory\蛔交，選include選項(xiàng)，加入d：\MATCOM45 \lib(包含MATCOM.h)library選項(xiàng)减严，加入d：\MAT-COM45\lib;(4)選擇project\addtoproject在 files文件類(lèi)型選項(xiàng)選(镐访。lib)將d：\MATCOM45\lib\v4501.lib加入工程中編譯運(yùn)行。

　　可見(jiàn)利用MATCOM進(jìn)行 M文件轉(zhuǎn)換非常容易肮碗，生成的代碼可讀性很好限榆，以上的轉(zhuǎn)換同時(shí)生成了可供VC調(diào)用的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，其使用和一般的動(dòng)態(tài)庫(kù)一樣使用贰往。同時(shí)需指明MATCOM不僅可轉(zhuǎn)換獨(dú)立的不依賴于其它M文件的M文件赵椰，同時(shí)可轉(zhuǎn)換調(diào)用其它M文件的M文件嵌套。條件是這些M文件要在同一個(gè)目錄下面伊厉。

　　3 切削顫振趨勢(shì)預(yù)報(bào)軟件的基本功能

　　HMM切削顫振預(yù)報(bào)軟件混合Matlab和C 語(yǔ)言編寫(xiě)而成。

　　它能完成數(shù)據(jù)可視化處理坦冠，F(xiàn)FT變換以及HMM的訓(xùn)練形耗，機(jī)床切削狀態(tài)監(jiān)控等基本功能。

　　3.1 HMM顫振預(yù)報(bào)軟件工作流程

　　程序流程圖辙浑。監(jiān)控工作開(kāi)始時(shí)激涤，程序前臺(tái)將采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)波形顯示，而后臺(tái)的HMM工作線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波判呕，F(xiàn)FT變換倦踢，特征特取獲得特征向量，將該特征向量作為觀測(cè)值O侠草，然后將O帶入到在離線狀態(tài)下已經(jīng)訓(xùn)練好的各態(tài)HMM模型λi(i=1辱挥，2，3边涕，分別代表穩(wěn)定切削晤碘，過(guò)渡切削和顫振切削三種切削狀態(tài))中分別進(jìn)行計(jì)算得到觀察概率P(O|λi)，其中最大的P(O|λi)第6期胡耀斌等：基于隱Markov的機(jī)床切削顫振趨勢(shì)預(yù)報(bào)軟件的開(kāi)發(fā)研究 166對(duì)應(yīng)的狀態(tài)即代表了當(dāng)前的切削裝態(tài)功蜓。如果顫振將要發(fā)生园爷，即對(duì)應(yīng)的顫振過(guò)渡切削狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，發(fā)出預(yù)報(bào)信號(hào)。達(dá)到切削顫振預(yù)報(bào)目的卷芜。

　　3.2 HMM顫振預(yù)報(bào)主程序界面

　　HMM顫振預(yù)報(bào)主程序界面夷朽。開(kāi)始工作前，首先進(jìn)行采集設(shè)置元粹，其中包括采集信道數(shù)選擇熄朴，雙緩沖或DMA選擇，信號(hào)的輸入極性嫡境，采樣頻率贯森，采集點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)保存褒饱，電荷放大器輸出倍率沛目，切削力范圍，加速度范圍以及屏幕顯示等方面的設(shè)置援儡。由于本試驗(yàn)有三個(gè)方向的切削力信號(hào)和一個(gè)加速度信號(hào)莲赐，所以選擇了前四個(gè)信道。同時(shí)酿装，考慮到采樣頻率不算太高访递，沒(méi)有選用DMA方式。

　　3.3 FFT分析功能

　　它主要完成當(dāng)前數(shù)據(jù)的特征提取功能同辣。他通過(guò)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT.找到特定頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值拷姿，經(jīng)過(guò)量化后形成當(dāng)前的特征矢量。"原始頻率"顯示的是該原始數(shù)據(jù)當(dāng)時(shí)采集的頻率旱函。"分析點(diǎn)數(shù)"設(shè)定了快速傅立葉變換的點(diǎn)數(shù)响巢，一般為2n，(n=1棒妨，2踪古，…)右邊的旋鈕可以快速設(shè)定其大小。"抽樣頻率"可以設(shè)定當(dāng)前分析頻率券腔，它通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)然不同間隔抽樣達(dá)到目的伏穆。"信號(hào)類(lèi)型"指定了當(dāng)前分析的是加速度信號(hào)或某個(gè)切削力方向的信號(hào)。"顯示方式"設(shè)定了結(jié)果是按原分析值顯示還是按Llyods方式進(jìn)行量化編碼后顯示纷纫。通過(guò)兩者可以切換比較枕扫。本文的信號(hào)特征向量都是整數(shù)，所以在實(shí)際分析時(shí)涛酗，選擇了量化編碼净处。FFT分析的工作界面。

　　3.4 HMM濾波功能

　　HMM濾波器主要是通過(guò)中的Viterbi算法進(jìn)行的居鸳，在濾波之前要通過(guò)Baum-Welch算法進(jìn)行模型訓(xùn)練婉固，以準(zhǔn)確獲得該序列模式下的特性吠童，進(jìn)而用Viterbi準(zhǔn)確濾波。稼乃，是其效果圖输奢。

　　3.5 輔助工具

　　本軟件設(shè)定了一些輔助功能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能軟件可以將采集到的二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換成文本文件之仍，工作界面屉韧。

　　信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波，鋸齒波楔答，方波以及白噪聲等常用信號(hào)谆藐，這些信號(hào)用于驗(yàn)證HMM濾波功能。信號(hào)發(fā)生器效果圖更假。

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