第7章 MATLAB与C语言接口(改)

第7章MATLAB与Ｃ语言接口MATLAB是矩阵语言，是为向量和矩阵操作设计的，一般来说，如果运算可以用向量或矩阵实现，其运算速度是非常快的。但若运算中涉及到大量的循环处理，MATLAB的速度的令人难以忍受的。解决方法之一为，当必须使用for循环时，把它写为MEX文件，这样不必在每次运行循环中的语句时MATLAB都对它们进行解释。•MATLAB作为世界顶尖的数学应用软件，以其强大的工程计算、算法研究、工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能，在航空航天、机械制造和工程建筑等领域发挥着越来越重要的作用。而C语言功能丰富，使用灵活方便，目标程序效率高。既有高级语言的优点，又有低级语言的特点。因此，C语言是目前应用最广的编程语言。虽然MATLAB是一个完整的、功能齐全的编程环境，但在某些情况下，与外部环境的数据和程序的交互是非常必须而且有益的。•众所周知，MATLAB是用M语言编程，不能在M文件中直接调用C语言程序。可以通过MATLAB提供的应用编程接口（API）来实现与外部的接口，在MATLAB环境中实现调用C语言或Fortran程序、输入或输出数据以及和其他软件程序间建立客户/服务器关系等功能。•MATLAB中调用C语言程序，必须通过MEX文件来实现。•一、C语言的MEX文件的结构•C语言的MEX文件是一种动态连接子程序，可以象调用M文件一样调用它。MEX文件主要有以下几方面的应用：•（1）在MATLAB中，M文件的计算速度特别是循环迭代的速度远比C语言慢，因此可以把要求大量循环迭代的部分用C语言编写为MEX文件，提高计算速度。•（2）已经开发的C语言程序，则不必将其转化为M文件而重复劳动，通过添加入口程序mexFunction，可以由MATLAB调用。•（3）直接控制硬件，如A/D采集卡，D/A输出卡等，以用于数据采集或控制应用。•C语言的MEX文件的源程序由两个非常明显部分组成：•（1）计算程序，即在MEX文件中完成计算功能的程序代码，计算程序可以是普通的C语言程序，按照C语言规则编写即可•（2）入口程序，将计算程序与MATLAB连接的入口函数mexFunction。入口程序mexFunction相对要复杂一些，函数中有四个参数nlhs、plhs、nrhs和prhs。这里nlhs是输出数据的个数，plhs是指向mxArray（MATLAB中所有数据都由mxArray定义）的输出数据的指针，nrhs是输入数据的个数，prhs是指向mxArray的输入数据的指针。•二、使用MEX文件•上面所述的MEX文件的两个主要部分在使用中可以是独立的，也可以是组合在一起的。不管是哪一种情况，MEX文件都必须包含头文件mex.h，以便正常申明入口程序。入口程序的名字必须是mexFunction而且必须包含这些参数：•voidmexFunction(intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[])•在C语言的MEX文件中，参数nlhs和nrhs包含输出和输入变量的数目，借助于这两个参数，MEX文件被调用。参数plhs和prhs是包含指向MEX文件输出和输入变量的指针的向量，prhs是长度为nrhs的输入变量的指针数组，plhs是长度为nlhs的输出变量的指针数组。比如从MATLAB命令窗口来调用一个MEX文件•MEX文件的计算过程和入口过程也可以合并在一起。但不管那种情况，都要包含#includemex.h，以保证入口点和接口过程的正确声明。注意，入口过程的名称必须是mexFunction，并且包含四个参数，即：•voidmexFunction(intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[])•其中，参数nlhs和nrhs表示MATLAB在调用该MEX文件时等式左端和右端变量的个数，例如在MATLAB命令窗口中输入以下命令：•[a,b,c]=Matlab_1(d,e,f,g)•则nlhs为3，nrhs为4。•MATLAB在调用MEX文件时，输入和输出参数保存在两个mxArray*类型的指针数组中，分别为prhs[]和plhs[]。prhs[0]表示第一个输入参数，prhs[1]表示第二个输入参数，…，以此类推。如上例中，d→prhs[0]，e→prhs[1]，f→prhs[2]，f→prhs[3]。同时注意，这些参数的类型都是mxArray*。•接口过程要把参数传递给计算过程，还需要从prhs中读出矩阵的信息，这就要用到下面的mx-函数和mex-函数。•三、常用的mex-函数•在MATLAB6.5版本中，mex-函数有38个，下面我们仅介绍常用的函数。•1．入口函数mexFunction•该函数是CMEX文件的入口函数，它的格式是固定的：•voidmexFunction(intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[])•说明：•MATLAB函数的调用方式一般为：[a,b,c,…]=被调用函数名称(d,e,f,…)，nlhs保存了等号左端输出参数的个数，指针数组plhs具体保存了等号左端各参数的地址，注意在plhs各元素针向的mxArray内存未分配，需在接口过程中分配内存；nrhs保存了等号右端输入参数的个数，指针数组prhs具体保存了等号右端各参数的地址，注意MATLAB在调用该MEX文件时，各输入参数已存在，所以在接口过程中不需要再为这些参数分配内存。•四、编译器的安装与配置•要使用MATLAB编译器，用户计算机上应用事先安装与MATLAB适配的以下任何一种ANSIC/C++编译器：•5.0、6.0版的MicroSoftVisualC++(MSVC)•5.0、5.2、5.3、5.4、5.5版的BorlandC++•LCC(由MATLAB自带，只能用来产生MEX文件)•五、安装与配置MATLAB编译器应用程序MEX的设置的步骤：(1)在MATLAB命令窗口中运行mex–setup，出现下列提示：Pleasechooseyourcompilerforbuildingexternalinterface(MEX)files:Wouldyoulikemextolocateinstalledcompilers[y]/n?(2)选择y，MATLAB将自动搜索计算机上已安装的外部编译器的类型、版本及所在路径，并列出来让用户选择：•Pleasechooseyourcompilerforbuildingexternalinterface(MEX)files:•Wouldyoulikemextolocateinstalledcompilers[y]/n?y•Selectacompiler:•[1]DigitalVisualFortranversion6.0inC:\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio•[2]LccCversion2.4inE:\MATLAB1022\sys\lcc•[3]MicrosoftVisualC/C++version6.0inC:\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio•[0]None•(3)选择其中一种(在这里选择了3)，MATLAB让用户进行确认：•Compiler:MicrosoftVisualC/C++6.0•Location:C:\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio•Arethesecorrect?([y]/n):•(4)选择y，结束MATLAB编译器的配置。•Trytoupdateoptionsfile:C:\DocumentsandSettings\wym\ApplicationData\MathWorks\MATLAB\R14\mexopts.bat•Fromtemplate:E:\MATLAB1022\BIN\WIN32\mexopts\msvc60opts.bat••Done...••例1一个简单的MEX文件例子•【例1】用m文件建立一个1000×1000的Hilbert矩阵。•tic•m=1000;•n=1000;•a=zeros(m,n);•fori=1:1000•forj=1:1000•a(i,j)=1/(i+j);•end•end•toc•elapsed_time=•0.06200•在记事本中输入以下程序：•[Matlab_1.cpp]•#includemex.h•//计算过程•voidhilb(double*y,intn)•{•inti,j;•for(i=0;in;i++)•for(j=0;jn;j++)•*(y+j+i*n)=1/((double)i+(double)j+1);•}•//接口过程•voidmexFunction(intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[])•{•doublex,*y;•intn;•if(nrhs!=1)•mexErrMsgTxt(Oneinputsrequired.);•if(nlhs!=1)•mexErrMsgTxt(Oneoutputrequired.);•if(!mxIsDouble(prhs[0])||mxGetN(prhs[0])*mxGetM(prhs[0])!=1)•mexErrMsgTxt(Inputmustbescalars.);•x=mxGetScalar(prhs[0]);•plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(x,x,mxREAL);•n=mxGetM(plhs[0]);•y=mxGetPr(plhs[0]);•hilb(y,n);•}•该程序是一个C语言程序，它也实现了建立Hilbert矩阵的功能。在MATLAB命令窗口输入以下命令：mexMatlab_1.cpp，即可编译成功。进入该文件夹，会发现多了两个文件：Matlab_1.asv和Matlab_1.dll，其中Matlab_1.dll即是MEX文件。运行下面程序：•tic•a=Matlab_1(1000);•toc•elapsed_time=•0.0320•由上面看出，同样功能的MEX文件比m文件快得多。7.2MATLAB计算引擎•MATLAB的计算引擎应用就是利用MATLAB提供的一组接口函数，在用户开发的C/C++语言应用程序中，通过某种通信机制后台调用MATLAB应用程序以完成复杂的系统任务。例7-3设计一程序，在C/C++语言中调用mesh函数来绘制高斯矩阵的曲面。解题步骤：7.3基于COM组件的接口编程该方法的主要特点有：（1）应用程序完全脱离MATLAB工作环境；（2）MATLAB数学库和工具箱中包括的各种各样的函数，所以降低了编写算法难度；（3）由于将算法程序做成了COM组件的形式，所以实现了算法的保密。7.4在C/C++语言中读写MAT数据文件支持C/C++语言读写MAT文件的函数库有下面几个：•1．打开数据文件──matOpen–MATFile*matOpen(constchar*filename,constchar*mode)•2．关闭数据文件──matClose–intmatClose(MATFile*mfp)•3．获取变量──matGetVariable–mxArray*matGetVariable(MATFile*mfp,constchar*name)•4．写入数据──matPutVariable–intmatPutVariable(MATFile*mfp,constchar*name,constmxArray*mp)应用举例例7-5在C/C++语言中调用MATLAB计算魔方阵，并将结果显示到屏幕。例7-4•实验七MATLAB与C语言接口编程(2学时)•1、目的要求•掌握MATLAB与C语言接口编程方法与应用。•2、主要实验仪器及材料•微型计算机、Matlab7.0教学版、TC编程环境。•3、掌握要点•掌握