FORTRAN與VB混合編程在船用柴油機(jī)工作過(guò)程計(jì)算中的應(yīng)用

趙茹嫦 王銀燕 李余良

（哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院 哈爾濱150001）

0 引 言

FORTRAN語(yǔ)言結(jié)構(gòu)縝密，語(yǔ)法嚴(yán)謹(jǐn)，自誕生以來(lái)積累了大量高效而可靠的源程序，廣泛地應(yīng)用于并行計(jì)算和高性能計(jì)算等領(lǐng)域。但由于FORTRAN數(shù)據(jù)的輸入輸出是在DOS界面里完成的，圖形功能弱，計(jì)算結(jié)果可視化存在缺陷，給用戶的使用帶來(lái)很多不便。而VB作為一種Windows軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，可視化圖形功能強(qiáng)，開(kāi)發(fā)效率高，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，把?fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題分解為多個(gè)能夠完成獨(dú)立功能的對(duì)象的集合。利用VB的圖形功能實(shí)現(xiàn)FORTRAN計(jì)算程序的可視化，對(duì)充分利用原有FORTRAN計(jì)算程序具有很大的實(shí)際意義。

1 VB與FORTRAN混合編程

1.1 基本思想

用VB和FORTRAN兩種語(yǔ)言混合開(kāi)發(fā)計(jì)算軟件的方法一般有兩種：

（1）用VB設(shè)計(jì)界面及控制程序，將FORTRAN程序編譯成DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，再由VB程序調(diào)用FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。其中，數(shù)據(jù)交換由參數(shù)傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（2）用VB設(shè)計(jì)界面，將FORTRAN應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行的*.exe應(yīng)用程序，由VB應(yīng)用程序直接調(diào)用，最終結(jié)果顯示在VB界面上。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)ORTRAN應(yīng)用程序在后臺(tái)運(yùn)行，VB和FORTRAN間的數(shù)據(jù)交換均通過(guò)磁盤(pán)文件進(jìn)行，設(shè)計(jì)流程如圖1所示［1］。

圖1 VB調(diào)用FORTRAN外殼程序

第一種方法需要解決參數(shù)傳遞的問(wèn)題。由于參數(shù)較多，還需要構(gòu)造動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，比較復(fù)雜，因此只適合于計(jì)算量小、參數(shù)少的情況；而第二種方法簡(jiǎn)單明了，適合于計(jì)算量較大、交互操作不多的情況。因此，對(duì)于船用柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算程序的可視化編程，適合選用第二種方法。

1.2 調(diào)用方法及技術(shù)難點(diǎn)

用VB調(diào)用FORTRAN程序編譯的.exe文件時(shí)，首先利用VB中的shell函數(shù)啟動(dòng)FORTRAN應(yīng)用程序。在啟動(dòng)FORTRAN的過(guò)程中，將會(huì)遇到三個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題：

（1）shell函數(shù)是以異步方式執(zhí)行的，這種執(zhí)行方式不能等待FORTRAN程序結(jié)束而將繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)VB程序，使VB得不到最終的數(shù)據(jù)而出錯(cuò)；

（2）由于VB是直接運(yùn)行于Windows平臺(tái)的，而FORTRAN是一種基于DOS平臺(tái)的應(yīng)用程序，在Windows平臺(tái)運(yùn)行DOS應(yīng)用程序時(shí)，會(huì)退出Windows而進(jìn)入到DOS界面，出現(xiàn)“黑屏”現(xiàn)象。此外，即使Windows平臺(tái)的DOS程序終止運(yùn)行，DOS也不能自動(dòng)關(guān)閉，返回到 Windows 平臺(tái)［2］；

（3）由FORTRAN編制的柴油機(jī)工作過(guò)程計(jì)算程序的輸入數(shù)據(jù)是通過(guò)*.txt文件輸入的，要使FORTRAN進(jìn)入計(jì)算，需要提供符合FORTRAN程序格式要求的數(shù)據(jù)文本。

因此，解決以上三個(gè)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值計(jì)算可視化的關(guān)鍵。

1.3 用API函數(shù)對(duì)外殼程序進(jìn)行同步調(diào)用

用Win32 API提供的有關(guān)進(jìn)程操作函數(shù)可以解決外殼程序的異步運(yùn)行問(wèn)題。首先用CreatProcess函數(shù)建立FORTRAN外殼進(jìn)程句柄，然后通過(guò)WaitForSingleObject函數(shù)等待外殼進(jìn)程終止，Close Handle函數(shù)用于將打開(kāi)的進(jìn)程對(duì)象關(guān)閉［3］。這些函數(shù)需要在VB中事先聲明。其中CreateProcess函數(shù)有10個(gè)參數(shù)，參數(shù)IpStartupInfo用來(lái)指向一個(gè)STARTUPINFO類型的結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將指定如何顯示外殼應(yīng)用程序窗口。

當(dāng)其成員dwflags的值等于1時(shí)，表示另一個(gè)成員wShowWindow有效；當(dāng)wShowWindow的值等于0時(shí)，表示隱藏外殼應(yīng)用程序的窗口。這樣的操作就隱藏了DOS平臺(tái)，即不會(huì)出現(xiàn)“黑屏”的現(xiàn)象。

此外，在WaitForSingleObject函數(shù)中，參數(shù)dwMilliseconds表示VB應(yīng)用程序等待事件的最長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)其值等于-1時(shí)，表示可以進(jìn)行無(wú)限長(zhǎng)的等待下去，直到外殼應(yīng)用程序結(jié)束。因此，除了在VB中預(yù)先聲明上述函數(shù)之外，還要聲明下列常量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

啟動(dòng)并等待外殼程序的實(shí)現(xiàn)方法，代碼如下：

1.4 Shell函數(shù)異步執(zhí)行的同步化

如果用VB的Shell函數(shù)來(lái)運(yùn)行FORTRAN外殼程序，可利用API函數(shù)OpenProcess和CloseHandle或OpenProcess和GetExitCodeProcess來(lái)實(shí)現(xiàn)等待Shell程序的執(zhí)行，從而解決shell函數(shù)異步執(zhí)行的問(wèn)題，具體實(shí)現(xiàn)參見(jiàn)下列示例代碼。

在利用Shell函數(shù)調(diào)用外部程序的過(guò)程中，只要在shell（）語(yǔ)句之后加入循環(huán)調(diào)用StillRun（）函數(shù)的代碼，就可時(shí)刻監(jiān)視shell函數(shù)所執(zhí)行的外部程序運(yùn)行狀態(tài)，直到 stillrun（）返回 false 時(shí)，才執(zhí)行 shell（）語(yǔ)句的后續(xù)程序。

對(duì)于shell函數(shù)啟動(dòng)外殼DOS程序時(shí)出現(xiàn) “黑屏”的問(wèn)題，解決的辦法是將shell函數(shù)的第二個(gè)可選參數(shù)設(shè)為vbHide。這樣在殼程序運(yùn)行時(shí)，DOS窗口會(huì)自動(dòng)隱藏。同時(shí)，在Windows環(huán)境下右擊該DOS應(yīng)用程序文件名，選擇“屬性”項(xiàng)，在“屬性”對(duì)話框的“程序”標(biāo)簽下，選中“退出時(shí)關(guān)閉窗口”復(fù)選框，此時(shí)將生成該DOS應(yīng)用程序的PIF文件。以后在Windows環(huán)境下運(yùn)行該應(yīng)用程序時(shí)，程序結(jié)束后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉DOS窗口而返回Windows狀態(tài)。

1.5 由VB生成FORTRAN輸入文件

FORTRAN的原始數(shù)據(jù)讀入為*.txt文件輸入方式。為了實(shí)現(xiàn)可視化輸入，在VB調(diào)用FORTRAN的*.exe應(yīng)用程序的同時(shí)，將為FORTRAN程序創(chuàng)建一個(gè).txt數(shù)據(jù)讀入文件。具體操作為：首先，根據(jù)FORTRAN程序中的輸入數(shù)據(jù)屬性，編制VB可視化界面，對(duì)輸入?yún)?shù)合理布局，再將輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)無(wú)窮大的數(shù)組空間內(nèi)；待輸入完畢，數(shù)組中的輸入數(shù)據(jù)將按FORTRAN計(jì)算程序本身要求的格式排列，存入*txt文件中，為FORTRAN程序的計(jì)算做好準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)過(guò)程可用圖2來(lái)說(shuō)明。

圖2 輸入文件創(chuàng)建過(guò)程

2 在內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算中的應(yīng)用

根據(jù)計(jì)算機(jī)型的基本情況，輸入需要設(shè)置的參數(shù)。輸入界面如圖3所示。首先，通過(guò)多項(xiàng)選擇按鈕選擇計(jì)算的機(jī)型是柴油機(jī)還是汽油機(jī)、二沖程還是四沖程，并在輸入框中輸入氣缸數(shù)；其次，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)整體幾何參數(shù)，比如缸徑、行程、壓縮比等，選擇是否有中冷器以及有無(wú)增壓，若增壓則選擇增壓型式，是脈沖還是定壓；第三，設(shè)置燃燒參數(shù)，選擇燃燒模型，設(shè)置燃油含碳量和低熱值等參數(shù)；最后，點(diǎn)擊按鈕，對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)、增壓器、中冷器進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，點(diǎn)擊計(jì)算初始化，對(duì)計(jì)算中的初始條件進(jìn)行設(shè)定。

圖3 基本參數(shù)設(shè)置界面

程序還設(shè)置了輸入提示功能。比如，在中冷器復(fù)選框中未選擇有中冷選項(xiàng)，點(diǎn)擊中冷器按鈕，就會(huì)彈出“是否中冷”提示框，若選擇“是”（如圖4），鼠標(biāo)則返回到中冷器設(shè)置復(fù)選框，同時(shí)進(jìn)入到中冷器設(shè)置界面。

進(jìn)入計(jì)算前，還需對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置。點(diǎn)擊計(jì)算初始化，進(jìn)入圖5所示界面。對(duì)壓力和溫度設(shè)一初值，程序?qū)⒏鶕?jù)初值進(jìn)行迭代計(jì)算，在計(jì)算要求的精度內(nèi)收斂，程序繼續(xù)運(yùn)行。

為了驗(yàn)證本軟件 （命名為MCY軟件）的正確性，用MCY軟件對(duì)某柴油機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)也與商業(yè)軟件GT-POWER進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

圖4 選擇中冷的提示功能

圖5 初始值設(shè)置界面

圖6 示功圖對(duì)比曲線

圖7 排氣總管壓力波變化曲線

圖6為在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，MCY軟件計(jì)算示功圖與試驗(yàn)示功圖的比較。可以看出，兩者在變化趨勢(shì)上基本一致，著火前期存在一定誤差，達(dá)到最高壓力之后，曲線基本吻合。經(jīng)計(jì)算，最大爆壓的相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)。圖7為排氣管內(nèi)的壓力波動(dòng)曲線。從曲線整體上可以看出，MCY軟件計(jì)算結(jié)果波動(dòng)略大于GT計(jì)算結(jié)果，但兩者波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了在VB對(duì)FORTRAN可執(zhí)行程序的調(diào)用，以及在調(diào)用過(guò)程中將會(huì)遇到的問(wèn)題，并提出了解決方案。

本文提供的方法，在不改變FORTRAN程序本身，保持其算法和強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能的前提下，通過(guò)和VB的混合編程，開(kāi)發(fā)出一個(gè)可視化的數(shù)值模擬計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了FORTRAN程序的可視化輸入，提高了原程序的使用效率，對(duì)類似的程序改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。對(duì)FORTRAN程序的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并不影響到原程序的功能和獨(dú)立性。FORTRAN程序作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)值計(jì)算模塊，既可以與VB程序編制的界面集成使用，又可以單獨(dú)使用。

［1］蒲軍平，劉鵬.VB界面設(shè)計(jì)與FORTRAN數(shù)值計(jì)算功能的組合應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件.2010，27（12）：148-150.

［2］楊華保，田宏星，劉健，陳永新.FORTRAN程序的可視化管理設(shè)計(jì)研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2009（4）：94-97.

［3］張學(xué)強(qiáng)，鄭公營(yíng).VB調(diào)用C和Fortran自定義動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)聯(lián)合編程［J］.工程物理地球?qū)W報(bào).2010，7（1）：55-59.

［4］周方，戴村供，詹友基.排氣系統(tǒng)模擬計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，3（1）：87-90.