Vc++下如何利用Matlab工具箱進(jìn)行數(shù)字信號處理

摘要： 本文詳述了在Vc環(huán)境下如何利用Matlab工具箱進(jìn)行數(shù)字信號處理，全文以Matlab工具箱中功率譜密度分析函數(shù)為例，介紹了通過Matlab自帶的引擎、Matlab自身的編譯器以及利用MathTools公司的Matcom進(jìn)行對工具箱函數(shù)的調(diào)用。

關(guān)鍵詞：Matlab M-文件 引擎 編譯器 Matcom Vc++

Matlab的信號處理工具箱是信號算法文件的集合，它處理的基本對象是信號與系統(tǒng)，信號處理工具箱位于目錄、Toolbox\Signal下，利用工具箱中的文件可以實現(xiàn)信號的變換、濾波、譜估計、濾波器設(shè)計等。在其它的環(huán)境如Vc下如果能調(diào)用Matlab工具箱中的文件，會大大地加快一些算法的實現(xiàn)，同時其可靠性也很高。

1. 利用Matlab引擎

   Matlab引擎采用客戶和服務(wù)器計算方式，在運用中，Vc的C語言或C++語言的程序作為前端客戶機，它向Matlab引擎?zhèn)鬟f命令和數(shù)據(jù)信息，并從Matlab引擎接收數(shù)據(jù)信息，它提供了下列幾個函數(shù)： engOpen, engGetArray, engPutArray, engEvaString,

   engOutputBuffer ,engClose與客戶機進(jìn)行交互。

   下面例程是在Vc下建一個基于對話框的應(yīng)用程序，在對話框中設(shè)置一個Button控件OnMatlabEngine.,在對話框 .cpp文件中加入”engine.h” 和“math.h” 頭文件，下面給出部分程序清單。

   Void CtestmatlabDlg::OnMatlabEngine(){

   Engine *ep;

   mxArray* T=NULL,*result=NULL,*mFs=NULL,*mnfft= NULL;

   double datax[1024];

   char buffer[1024];

   for(int j=0;j<1024;j++)//注：如通過采集卡采集數(shù)據(jù)可將采集的數(shù)據(jù)放在datax[]數(shù)組中,此循環(huán)就不需要

   {

   double samt=(double)(1.0/1024);

   datax[j]=sin(2.0*63.0*samt*3.1415926+1.15*3.1415926);

   }

   double *pPxx,*pFxx;

   if(!(ep=engOpen(" \0"))){//打開Matlab引擎，建立與本地Matlab的連接

   fprintf(stderr,"\n Can't start MATLAB engine\n");

   exit(-1);

   }

   double Fs[1]={1024};//因為Matlab所有參與運算的參數(shù)都是矩陣的形式，因而下列幾行將參數(shù)轉(zhuǎn)變

   double nfft[1]={1024};//成Matlab可接受的矩陣形式。

   T=mxCreateDoubleMatrix(1,1024,mxREAL);

   mnfft=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);

   mFs=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);

   mxSetName(T,"T");

   mxSetName(mnfft,"mnfft");

   mxSetName(mFs,"mFs");

   memcpy((char*)mxGetPr(T),(char*)datax, 1024*sizeof(double));

   memcpy((char*)mxGetPr(mnfft),(char*)nfft, sizeof(double));

   memcpy((char*)mxGetPr(mFs),(char*)Fs,1*sizeof(double));

   engPutArray(ep,T); //將轉(zhuǎn)化的參數(shù)放入引擎中，此時可在Matlab command窗口下查看此參數(shù)

   engPutArray(ep,mnfft);

   engPutArray(ep,mFs);

   engEvalString(ep,"[pxx,fo]=psd(T,mnfft,mFs);"); //利用引擎執(zhí)行工具箱中文件

   engOutputBuffer(ep,buffer,512); //如只想看顯示圖形，可將返回參數(shù)去掉，psd無返回參數(shù)缺省情況下會自動畫圖形

   result=engGetArray(ep,"pxx");//取出引擎中的數(shù)據(jù)放在所指的區(qū)域中供后續(xù)處理

   pPxx=mxGetPr(result);

   result=engGetArray(ep,"fo");

   pFxx=mxGetPr(result);

   engEvalString(ep,"plot(fo,10*log10(pxx));");//利用引擎畫圖

   engEvalString(ep,"title('功率譜分析');");

   engEvalString(ep,"xlabel('Hz');");

   engEvalString(ep,"ylable('db');");

   mxDestroyArray(T); //釋放內(nèi)存

   mxDestroyArray(mFs);

   mxDestroyArray(mnfft);

   mxDestroyArray(result);

   engEvalString(ep,"close;");

   engClose(ep);

   }

   上述程序在Vc下編譯需要將 libeng.dll和libmx.dll兩個動態(tài)庫利用以下的命令：

   lib/def:<自己的Matlab的安裝路徑,下同>e:\ Matlab\extern\include\*.def /machine:ix86 /out:*.lib來生成程序所需的靜態(tài)連接庫libeng.lib和libmx.lib,將libeng.lib和libmx.lib所在的目錄加入Vc++ project/link/object/library modules下即可。

2. 利用Matlab自身的編譯器調(diào)用工具箱中的函數(shù)

　

Matlab的編譯器可將Matlab的M文件轉(zhuǎn)換為為C或C++的源代碼以產(chǎn)生完全脫離Matlab運行環(huán)境的獨立的運用程序，但Matlab本身的資料說明編譯器如用來建立獨立的運用程序，不能調(diào)用Matlab工具箱中的函數(shù)，這非常不利于搞一些特殊的算法。本人研究了一段時間發(fā)現(xiàn)，工具箱中的函數(shù)既然是M文件就一定可以用編譯器來編譯，以提供如Vc的調(diào)用函數(shù)，但是編譯器只能編譯一個獨立的M文件，即這個 M文件不依賴于其他的M文件。如果M文件中又調(diào)用了其他的M文件，可將被調(diào)用的M文件拷貝到調(diào)用M文件的相應(yīng)位置，作適當(dāng)?shù)母膭泳涂梢杂糜诰幾g器編譯。編譯器不支持圖形函數(shù)，所以M文件中如有圖形函數(shù)需注釋掉。

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)換為適用于特定運用的C或C++源代碼。這樣如果要在Vc下編譯通過,還需連入以下幾個庫libmmfile.dll, libmatlb.dll, libmcc.dll, libmat.dll. libmx.dll. mibut.dll 以及Matlab C MATH庫，建議采用前述的方法將動態(tài)連接改為靜態(tài)連接。對于C/C++編譯環(huán)境的設(shè)置，在Matlab command窗口下運行mex –setup 然后依提示操作，而對于C/C++連接環(huán)境的設(shè)置，運行mbuild –setup依提示操作即可。

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Matlab\bin目錄下，改寫相應(yīng)調(diào)用的M文件如nargchk.m, hanning.m等。為生成的代碼簡潔，對于采集數(shù)據(jù)處理輸入?yún)��?shù)很明了的情況下可作大量的刪減，最終使psd.m成為一個不依賴于其他M文件的獨立的M文件，注意千萬注釋掉作圖代碼，最終改成如下形式，限于篇幅給出關(guān)鍵的幾步：

   function [Pxx,f]=psd(Fs,nfft,noverlap,x)

   window=o,5*(1-cos(2*pi*(1:nfft)’/(nffft+1)));//hanning 窗

   dflag=’none’;

   window=window(;)

   ………………………………….

   以上只要稍懂Matlab語言和信號處理知識就可完成這項工作。

2. 假設(shè)上述代碼重新存為testwin.m,在Matlab command 窗口下設(shè)置好環(huán)境參數(shù)運行mcc –e testwin,則可在Matlab\bin下生成testwin.c ,如運行mcc –p testwin 則生成testwin.cpp.
3. Vc下建立一個基于對話框的文件，然后在對話框里加一個Button控件OnButtonPsd

   將上述生成的.c文件的頭文件加入到工程的.cpp中，且將#ifdef_cplusplus

   extern “c”{

   #end if

   c代碼聲明加入Vc的包含文件和生成的.C的包含文件之間

   將#ifdef_cplusplus

   }

   #end if加入.cpp文件未尾

4. 為了簡潔且便于處理將生成的c函數(shù)稍改動，給出部分代碼如下：

void CTestpsdwinDlg::OnButtonPsd(){

mxArray* x_rhs_;//指向采集數(shù)據(jù)存放區(qū)

Fs=23510;//數(shù)據(jù)采集的頻率 nfft=1024;//1024點的fft

double datax[1024]//采集的數(shù)據(jù)

x_rhs_mxCreateDoubleMatrix(1,1024,mxReal);

memcpy(mxGetPr(x_rhs_),datax,1024*sizeof(double));

noverlap=512;

……………….

……………….

mccCopy(&Pxx,&Spec);

mccCopy(&f,&frevgg_vector);

for(int j=0;j<(int)(nfft/2+1);j++)

{

datap[j]=mccGetRealVectorElement(&Pxx, (j+1));//功率譜密度存于datap[]數(shù)組

dataf[j]=mccGetRealVectorElement(&f, (j+1));//相應(yīng)頻率存于數(shù)組dataf[]中

}

mccFreeMatrix(&Pxx);

……………….

SendMessageBox(WM_PAINT,0,0);//利用Vc下的圖形函數(shù)畫圖

Return;

}

　

如上生成的程序可讀性不太好，而生成的c++代碼則可讀性較好，但千萬注意只能用 Matlab的MATH庫，不可用c++的MATH庫，否則編譯會出錯，限于篇幅在此不述。

3）利用Matcom調(diào)用工具箱中的函數(shù)

Matcom編譯M文件，先將M文件按照與Matcom的cpp庫的對應(yīng)關(guān)系翻譯為cpp源代碼，然后用對應(yīng)版本的c編譯器將cpp文件編譯成相應(yīng)的exe或dll文件，所以第一次運行要指定c編譯器的路徑，否則無法編譯，指定好的編譯信息就寫在Matcom\bin\matcom.ini文件中，不過這一步按裝matcom時，它自動尋找編譯器并將其寫入matcom.ini文件中，matcom4.5版中使用TeeChart3.0 OCX控件，因而它支持圖形操作。

我們依然用上述的testwin.m文件，不要將圖形函數(shù)注釋掉，利用Mideva來生成可被Vc調(diào)用的信號處理程序。

1. 運行Mideva在主界面上直打開M文件，在菜單中選擇compile to dll,輸入testwin..在Matcom debug目錄下可以找到這樣的幾個文件，testwin.c ,testwin.h,testwin.cpp,testwin.lib,testwin.dll,testwin.exp等。
2. 將上述testwin.cpp和testwin.h加入工程中，project/add to project/files并且在相應(yīng)的文件中加入”stdafx.h”
3. 加連接庫：Tools\option\directory\ ， 選include選項,加入e:\matcom45\lib (包含matcom.h)

library選項，加入e:\matcom45\lib

4) project\add to project\files 文件類型選項選（.lib）將e:\matcom45\lib\v4501.lib加入工程中編譯運行。相應(yīng)代碼如下：

void CtestmatcomDlg::OnpsdButton(){

double datap[512],dataf[512];

initM(MATCOM_VERSION);//初始化matcom庫

Mm Fs,nfft,noverlap;//創(chuàng)建矩陣

Mm x=zeros(1,1024);

Fs=1024;nfft=1024;noverlap=128;

dMm(Pxx_o);dMm(f_o);//創(chuàng)建并命名矩陣

datax[];//數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)存于此數(shù)組中

for(int i=1;i<=1024;i++)

{

x.r(1,i)=datax[i+1];//給x陣賦值

}

testwin(Fs,nfft,noverlap,x,i_o,Pxx,f_o);//matcom生成的函數(shù)

for(i=0;i<513;i++){//取出功率譜密度分析結(jié)果

dataf[i]=f_o.r(i+1,1);

datap[i]=Pxx_o.r(i+1,1);}

exitM();

return;

}

可見利用Matcom進(jìn)行M文件轉(zhuǎn)換非常的容易，生成的代碼可讀性很好，以上的轉(zhuǎn)換同時生成了可供Vc調(diào)用的動態(tài)連接庫，其使用和一般的動態(tài)庫一樣使用。同時需指明Matcom不僅可轉(zhuǎn)換獨立的不依賴于其它M文件的M文件，同時可轉(zhuǎn)換調(diào)用其它M文件的M文件嵌套。條件是這此M文件在同一個目錄下面，如前所述的psd.m可直接用上述方法轉(zhuǎn)換，生成了多個重載形式的psd函數(shù)

結(jié)論： 利用Mtlab引擎調(diào)用工具箱中的函數(shù)可節(jié)省大量的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序整體性能較好，但不可脫離Matlab 的環(huán)境運行。用Matlab編譯器進(jìn)行工具箱函數(shù)的調(diào)用，須轉(zhuǎn)換相應(yīng)的Ｍ文件使其成為獨立的Ｍ文件，且不支持圖形函數(shù)，轉(zhuǎn)換的代碼可讀性不太好。用Matcom 進(jìn)行轉(zhuǎn)換非常方便，生成的代碼可讀性很好，支持圖形函數(shù)，且代碼執(zhí)行的速度比不轉(zhuǎn)換平均要快１.5倍以上。以上程序在Vc++ 6.0,Matlab5.2,Matcom4.5中調(diào)試通過,以上方法在工程實踐中已得到很好的運用。

 

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