MATLAB與C混合編程技術在A/D性能測試中的應用

王益民

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

MATLAB是一套高級的數學分析和計算軟件，具有科學計算與可視化功能、簡單易用的開放可擴展環境，以及多達30多個面向不同領域而擴展的工具箱支持，集計算機輔助設計、分析與仿真一體，功能強大和靈活，編程效率高，在需要快速驗證算法時，相比常見的通用編程平臺(如:Visual C++等)有很大優勢。但MATLAB也存在以下4點不足:

1)程序執行逐行解釋，在實時仿真中影響速度;

2)無規范完整的圖形用戶界面標準;

3)不能直接訪問底層硬件;

4)用戶界面單調。

上述不足限制了它不能作為通用的軟件開發平臺，這給工程計算與應用帶來很大的不便［1-3］。

而常見的通用編程平臺(如:Visual C++等)，功能靈活，與硬件接口能力突出，但面對信號分析領域先進的理論和方法，如:時頻分析、小波變換、遺傳算法等，編程效率低。因此，實現MATLAB與Visual C++的混合編程，使其有機結合，優勢互補，具有很強的應用價值［4］。

MATLAB本身提供了多種外部接口，如:使用MATLAB自帶的MATLAB Compiler、利用MATLAB引擎、利用Active控件、利用MAT文件、C-MEX等，通過這些外部接口，實現MATLAB與其他編程環境的混合編程，可以擴充MATLAB的強大的數值計算和圖形顯示功能，而避開其缺點［1］。

在一種雷達接收機A/D性能測試設備的研制中，針對MATLAB與硬件設備的接口能力較差，不能直接訪問底層硬件設備的缺點，我們采用MATLAB外部接口混合編程技術，利用C語言編寫自定義的MEX函數，在MATLAB環境中實現了對計算機設備的讀寫驅動，可直接獲取A/D采集的數據，進而對數據分析處理，簡化了系統軟件的設計，提高了實時性能，充分利用MATLAB編程效率高、數學計算功能強大的特點。

1 A/D性能測試設備簡介

在一種雷達接收機中，采用中頻數字化方案，對雷達四個窄帶通道和一個寬帶通道的中頻信號進行采樣、數字下變頻與正交相檢，形成數字化的A/D數據，并完成數據的串行化和光纖傳輸，送往信號處理機進行后續處理，其信號數據率最大為320 MB/s，實時光纖傳輸速率為 2 Gb/s［5］。

A/D性能測試設備用于對接收機的A/D采樣性能進行測試。它以VME總線作為硬件平臺，包含了單板計算機、數據傳輸記錄模塊，系統構成如圖1所示。

圖1 A/D性能測試設備的系統框圖

圖中，單板計算機是系統的控制核心，采用符合VME總線標準的計算機模塊，運行于Windows環境中。

數據傳輸記錄模塊用于實現與雷達接收機的點對點高速連接，將A/D送來的光纖數據串/并轉換變為并行數據，存入板上存儲器暫存，當存儲滿后，計算機讀取到系統內存，由A/D性能測試軟件進行分析處理。

2 基于MATLAB與C混合編程的硬件驅動程序設計

A/D性能測試軟件運行在Windows環境中，其總體框架如圖2所示。它通過數據讀寫驅動程序實現對VME總線的讀寫操作，將A/D送來的光纖數據讀入到內存，再由數據顯示與分析程序對數據進行顯示并計算分析得出A/D的性能指標。

圖2 A/D性能測試軟件框圖

由于MATLAB與硬件設備的接口能力較差，不支持訪問VME底層的硬件設備，常用的方法是通過VC++等通用軟件編寫數據讀寫程序，獲取外部數據后，再由MATLAB程序調用數據進行分析處理，使處理的實時性能降低，也給開發帶來一定難度。

在本文設計的系統中，我們結合MATLAB與C混合編程技術，采用C-MEX方式編程，實現在MATLAB環境下對計算機VME總線的讀寫驅動，直接完成A/D數據讀取的底層操作，在此基礎上，對數據進行分析和處理。其實質是在C框架下編寫硬件驅動程序，形成動態鏈接庫(DLL)函數，并保證該DLL函數符合MATLAB函數的接口要求，使之可被MATLAB直接調用。

下面著重介紹如何在MATLAB環境中，實現A/D數據讀取的VME總線驅動設計。

2.1 C-MEX方式簡介

所謂 MEX，是 MATLAB Executable的縮寫，即MATLAB的可執行程序。在 Windows環境中，它是擴展名為DLL的動態鏈接庫。MEX文件是MATLAB調用其他語言編寫的程序或算法的接口，它符合MATLAB的調用格式，可以在M程序中直接調用。

用戶可利用MATLAB的應用程序編程接口，使用C語言、Fortran語言等編寫MEX函數，編譯完成的MEX函數就可以像其他內建的MATLAB函數一樣使用。MEX函數源代碼由兩部分組成:

第一部分，稱為計算子程序(computational routine)，它是要鏈接的外部子程序，用于完成用戶定義的一些特定功能，如:數值計算、數據的輸入、輸出、對硬件的訪問和開發等，用戶想要將一些已經編寫的程序和算法移植到MATLAB環境中使用，就需要將算法和程序整理成函數形式封裝。

第二部分，稱為入口子程序(gateway routine)，相當于C語言中的main函數。入口子程序的作用主要是在MATLAB系統與被調用的外部子程序之間建立通信聯系，也就是:定義被MATLAB調用的外部子程序的入口地址，定義MATLAB系統向子程序傳遞的參數，還定義子程序向MATLAB系統返回的參數，以及調用計算子程序等。

MEX函數源代碼的兩部分既可以分開，也可以組合在一起，但文件頭必須包含語句:

#include“mex.h”

2.2 硬件驅動程序的編程實現

按照MATLAB的混合編程框架，在本程序中，編寫MEX函數形式的驅動程序，分為兩個部分:

1)入口程序的編程實現

在入口程序中，用戶主要完成兩個方面的任務:一方面，從輸入的mxArray結構體中獲得計算所需的數據，然后再調用用戶的計算子程序加以使用;另一方面，用戶同樣可以將計算結果返回給用于輸出的mx-Array結構體，這樣MATLAB系統就能夠獲得用戶計算子程序的結果。

入口子程序的函數名必須是mexFunction，函數共有4個參數，其中參數nrhs為MEX函數輸入參數的個數，nlhs為MEX函數輸出參數的個數，prhs是一個長度為nrhs的MEX函數輸入參數變量指針數組，plhs是一個長度為nlhs的MEX函數輸出參數變量指針數組。

源程序如下:

利用混合編程的關鍵點是輸入輸出接口參數的設置，只有保證驅動程序中定義的數據類型與MATLAB中的數據類型相匹配，才能進行正確的數據傳輸。

2)計算子程序的編程實現

計算子程序，主要完成硬件設備的VME總線讀寫，將A/D數據從板上數據存儲區讀入CPU內存區。它由入口子程序調用。其源代碼如下:

/*向傳輸記錄板上的硬件基地址為JK_FIFOBASE，偏移量為0的硬件地址，發出寫總線命令，設置工作方式mode(寬帶方式或窄帶方式)，并啟動采集。

2.2.1 驅動程序的編譯

上述兩段程序存于ad_sample.c中，在MATLAB的命令窗口中輸入:mex ad_sample.c，當正確無誤，編譯通過，生成與C語言文件名相同的DLL文件，該文件與其他MATLAB內嵌函數一樣，可由MATLAB調用ad_sample了。

2.2.2 MEX函數的執行流程

當MEX文件生成后，在MATLAB環境中調用形式為:

ad_data=ad_sample(mode)

則MATLAB編譯器使用下面的變量來調用mex-Function:

nlhs=1 nrhs=1

plhs=(pointer)-＞/unsigned*/

prhs=(pointer)-＞mode

在C語言的MEX文件中，參數nrhs為MEX函數輸入參數的個數，nlhs為MEX函數輸出參數的個數，借助這兩個參數，MEX文件被調用。prhs是一個長度為nrhs的MEX函數輸入參數變量指針數組，plhs是一個長度為nlhs的MEX函數輸出參數變量指針數組，通過這兩個指針，可以在計算子程序中使用這些變量進行計算。plhs指向空的數組是由于輸出ad_data在子程序執行前尚未產生，入口程序的作用就是創建輸出數組并分配指針plhs［0］指向該數組。MATLAB調用MEX函數的運行流程，如圖3所示。

2.2.3 試驗測試

基于上述生成的讀寫驅動程序，我們編寫了界面化MATLAB的A/D性能測試軟件，實現了數據讀取、數據顯示、數據分析等功能，配合測試系統完成了對以2 Gb/s速率光纖傳輸的A/D數據的采集與性能測試。圖4為測試軟件從光纖通道獲取的A/D數據波形，三組波形分別反映了接收機A/D輸出的正交分量、同相分量以及模值的數據。

圖3 MEX文件的編譯運行流程

圖4 A/D性能測試軟件的波形顯示界面

3 結束語

本文結合一種A/D性能測試設備的研制，論述了采用MATLAB和C語言混合編程的MEX函數技術，編寫對VME總線的硬件讀寫程序，解決了MATLAB不能支持硬件底層驅動的問題，擴展了MATLAB的功能。本文所提出的方法不僅適用于此類硬件與MATLAB軟件的接口，還可實現MATLAB進行網絡通信，進而用于MATLAB與其他應用程序之間通信，有助于發揮不同軟件各自的優勢，降低開發難度，達到簡化編程的目的，從而縮短軟件開發周期。

［1］ 楊高波，亓 波.精通 MATLAB 7.0混合編程［M］.北京:電子工業出版社，2006.Yang Gaobo，Qi Bo.Mastering MATLAB 7.0 mixed programming［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 黃志軍，戴余良，曾 斌，等.MATLAB外部網絡接口的實現［J］.計算機與數字工程，2004，32(3):70-72.Huang Zhijun，Dai Yuliang，Zeng Bing，et al.Implementation of MATLAB external network interface［J］.Computer and Digital Engineering，2004，32(3):70-72.

［3］ 賴 娟.VC++與Matlab的混合編程［J］.信息技術，2006，30(6):123-126.Lai Juan.Hybrid programming between Matlab and VC++［J］.Information Technology，2006，30(6):123-126.

［4］ 禹 倩，白 雪.雷達信號分析虛擬儀器的設計與實現［J］. 現代雷達，2006，28(10):49-52.Yu Qian，Bai Xue.Design and implementation of radar signal analysis virtual instrument［J］.Modern Radar，2006，28(10):49-52.

［5］ 王益民.高速串行傳輸技術在雷達接收機中的應用［J］.現代雷達，2009，31(4):84-86.Wang Yimin.Application of high-speed serial transmission technology in radar receiver［J］.Modern Radar，2009，31(4):84-86.