利用MEX實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的實(shí)時(shí)處理和仿真

1、             摘  要：介紹了MATLAB中MEX的原理結(jié)構(gòu)和基于MEX完成MATLAB對(duì)硬件的操作控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理的方法。該方法的使用，使我們可以利用MATLAB實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，驗(yàn)證總體方案，優(yōu)化信號(hào)處理算法，加快系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)程。       在工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中常常用到MATLAB，因?yàn)樗哂凶吭降臄?shù)值計(jì)算功能和強(qiáng)大的圖形處理能力，其輸出結(jié)果可視化，編程效率極高，極少的代碼

2、即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)行。以往常用MATALB進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算和預(yù)先數(shù)據(jù)處理仿真，在本文中將介紹一種利用MATLAB的MEX編程進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析的方法，可用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真，加快系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)程。1 MEX程序的介紹  在MATLAB中，MEX（MATLAB外部數(shù)據(jù)接口程序）文件是由C或Fortran源程序經(jīng)過編譯生成的MATLAB動(dòng)態(tài)鏈接子程序。在Windows系統(tǒng)中，MEX文件是32位DLL格式，可以直接使用戶訪問Windows資源環(huán)境的各種功能，可以用DLL格式的MEX文件生成基于Windows的用戶圖形界面，也可以利用Windows的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換能力，與其他的Wi

3、ndows應(yīng)用程序交換必要的數(shù)據(jù)。MEX文件如同MATLAB的內(nèi)置函數(shù)一樣，能被MATLAB的解釋器根據(jù)命令自動(dòng)地裝入和執(zhí)行。其應(yīng)用有以下幾點(diǎn)：  (1）對(duì)于某些已有的C或Fortran程序，可通過MEX方式在MATLAB環(huán)境中直接調(diào)用。  (2）對(duì)影響MATLAB執(zhí)行速度的FOR循環(huán)，可以編寫相應(yīng)的C或Fortran子程序完成相同的功能，并編譯成MEX，提高運(yùn)行速度。  (3）對(duì)于A/D或是D/A卡，或其他PC硬件，可以直接用MEX文件進(jìn)行訪問，擴(kuò)大MATLAB的功能。更重要的是，在這種對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，使用MEX文件能夠滿足各種苛刻的要求。 

4、(4）利用MEX文件，還可以使用一些軟件，如Windows用戶資源。  因此在MATLAB中使用MEX文件，既能夠滿足實(shí)時(shí)性處理要求，又能夠充分發(fā)揮MATLAB的優(yōu)越性，節(jié)約編程時(shí)間。  MEX源代碼文件由2部分組成：  入口子程序其作用是在MATLAB系統(tǒng)與被調(diào)用的外部子程序之間建立通信聯(lián)系，可以看作其通信協(xié)議，定義被MATLAB調(diào)用的外部子程序的入口地址，定義MATLAB系統(tǒng)向子程序傳遞的子程序參數(shù)和向MATLAB返回的結(jié)果參數(shù)等。  計(jì)算子程序就是要鏈接的外部子程序，用于完成一些特定的計(jì)算，他由入口子程序調(diào)用。  MEX源代碼文件的2部分

5、既可以分開，又可以組合在一起。入口子程序必須是mexFunction，其構(gòu)成形式必須為（以C語言為例）：    void  mexFunction(    其中，nrhs和prhs 分別為mxArray輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)和變量指針，nlhs和plhs分別為輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)和變量的指針。這些參數(shù)是用來傳遞MATLAB啟動(dòng)MEX文件的參數(shù)。按語法規(guī)則，函數(shù)的調(diào)用的一般形式是：  這里，fun是MEX文件名或M文件名，變量a，b，c稱為輸出變量；d，e，f等稱為輸入變量。  MEX文件編寫完成后，便可以進(jìn)行編譯。MA

6、TLAB 5.3以上的版本提供了一個(gè)C語言編譯器LCC，也使用計(jì)算機(jī)已經(jīng)安裝的VC，BC編譯器進(jìn)行編譯。編譯好的MEX文件作為一個(gè)函數(shù)在MATLAB中直接調(diào)用或鏈接，參與MATLAB程序運(yùn)算和控制，達(dá)到提高計(jì)算效率的目的。  如果將MATLAB中的MEX程序和GUI（圖形用戶界面）程序有機(jī)的結(jié)合起來，就可以更好地達(dá)到實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理顯示功能。2 C語言的MEX應(yīng)用實(shí)例  下面以一個(gè)工程實(shí)例說明MEX文件的應(yīng)用。  在某雷達(dá)演示驗(yàn)證系統(tǒng)中，目標(biāo)是利用MATLAB強(qiáng)大而便捷的運(yùn)算編程能力對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行體制驗(yàn)證。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過高速A/D采集卡采集整理，然后進(jìn)行多波束

7、形成，最后進(jìn)行頻譜分析，門限檢測(cè)。在處理中，不僅涉及對(duì)硬件的訪問和控制，而且涉及了大量的數(shù)據(jù)變換和分析運(yùn)算。處理框圖如圖1所示。    在本方案中采用MEX編程實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件A/D卡的實(shí)時(shí)控制和訪問。數(shù)據(jù)采集卡采用PCIDSA4020。該卡是一塊塊即插即用的超高速四通道20 MHz  PCI數(shù)據(jù)采集卡，電壓輸入范圍、采集觸發(fā)方式、中斷、校驗(yàn)、通道控制全部可由軟件設(shè)置，配有相應(yīng)的應(yīng)用軟件包，支持Visual C+，Visual Basic，DLL庫調(diào)用。實(shí)現(xiàn)中采用C語言調(diào)用廠家提供的數(shù)據(jù)采集卡函數(shù)庫，編譯生成MEX動(dòng)態(tài)鏈接庫控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集

8、完成后，在MATLAB中完成對(duì)數(shù)據(jù)的正交變換、    從應(yīng)用實(shí)例可以看出，入口子程序起到鏈接C子程序與MATLAB系統(tǒng)的作用；同時(shí)入口子程序完成大部分的輔助工作，特別是判斷變量，來檢測(cè)輸入/輸出變量的個(gè)數(shù)、以及變量的數(shù)據(jù)類型，這樣可以避免由于指針與數(shù)據(jù)不匹配而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。  由于本系統(tǒng)采取的方案是將大量數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理，若數(shù)據(jù)量較小的時(shí)候，可直接將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為MATLAB數(shù)組進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。圖2就是用MATLAB中的GUI生成的人機(jī)界面，圖右邊的可隨時(shí)設(shè)置參數(shù)，圖左邊為處理數(shù)據(jù)顯示。3 結(jié)語  MATLAB中MEX文件的使用使我們可以方便地使用MATLAB作為我們?cè)O(shè)計(jì)、仿真的工具。使應(yīng)用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理可以提供良好的實(shí)時(shí)性，提高程序的運(yùn)行速度，使我們?cè)谙到y(tǒng)的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中可以節(jié)約大量的編程時(shí)間，將重點(diǎn)放在對(duì)系統(tǒng)處理算法驗(yàn)證上。參考文獻(xiàn)1龔劍，朱亮.MATLAB 5.X入門與提高M(jìn).北京：清華大學(xué)出版社，20002程衛(wèi)國，馮峰，等.MATLAB