在MATLAB環(huán)境中調(diào)用DLL對硬件資源訪問的方法

摘要：MATLAB是一款高性能的科學(xué)與工程計算軟件，具有強大的數(shù)值計算和分析能力，但其對硬件的訪問能力較弱。在MATLAB環(huán)境中實現(xiàn)對硬件資源的直接訪問可以極大的方便對數(shù)據(jù)的處理及算法的驗證，基于這種目的提出一種擴展MATLAB訪問硬件的方法，通過MATLAB外部函數(shù)接口調(diào)用第三方器件商提供的動態(tài)鏈接庫導(dǎo)出函數(shù)，在MATLAB平臺下實現(xiàn)對一般硬件的訪問，并具體介紹了該方法在氣壓高度計原型系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。該方法簡化了MATLAB與硬件的數(shù)據(jù)交互，對于原型系統(tǒng)設(shè)計和算法的驗證提供了一種有效的手段。
關(guān)鍵詞：MATLAB；動態(tài)鏈接庫；硬件訪問；數(shù)據(jù)采集

MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的高性能的科學(xué)與工程計算軟件，憑借其強大的科學(xué)計算和繪圖功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫和簡潔高效的編程語言，被科技工作者們廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運算、信號分析、圖像處理等各行各業(yè)。盡管MATLAB本身是一個完整的、自成體系的編程和數(shù)據(jù)處理環(huán)境，但由于語言的特性使其訪問硬件的能力相對較差，這在一定程度上限制了它的使用。對于那些涉及復(fù)雜算法同時又需要對硬件資源進行訪問的系統(tǒng)，一般的做法是在一個通用的編程平臺(如Visual C++、Visual Basic、Delphi等)上實現(xiàn)對硬件資源的訪問，而后調(diào)用MATLAB算法對數(shù)據(jù)進行處理。這種方法優(yōu)點是通用性好，程序運行效率高，適用大多數(shù)場合，但對開發(fā)人員編程能力有較高要求，開發(fā)周期較長。在一些需要快速的驗證模型和算法的場合，為充分發(fā)揮MATLAB強大的數(shù)值計算能力，以MATLAB作為主開發(fā)平臺來得更為合適。隨著模塊化的設(shè)計思想在越來越多的產(chǎn)品中得到體現(xiàn)，器件生產(chǎn)廠商們一般都會提供該產(chǎn)品的二次開發(fā)函數(shù)庫，方便了開發(fā)者們對硬件操作的同時，也使得MATLAB通過外部程序接口實現(xiàn)對硬件的訪問成為可能。
文中具體論述一種基于動態(tài)鏈接庫調(diào)用實現(xiàn)MATLAB訪問一般硬件的方法，并將該方法用于對高精度氣壓傳感器MS5803的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了MATLAB與硬件的無縫結(jié)合，極大的方便了數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

1 動態(tài)鏈接庫
在具體闡述MATLAB環(huán)境下調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)訪問外部硬件之前，有必要對動態(tài)鏈接庫做簡要介紹。動態(tài)鏈接庫英文為Dynamic Linka ble Library，縮寫DLL，最初是為了解決代碼共享的問題而提出的．通俗的理解可以把DLL看成一種倉庫，它提供一些可以直接拿來使用的變量、函數(shù)或類。動態(tài)鏈接庫可以使用不同編程語言來編寫，只要符合標準即可。為了加深對動態(tài)鏈接庫函數(shù)調(diào)用的理解，下面以C／C++語言為例簡要介紹動態(tài)鏈接庫的編寫步驟。首先介紹兩組關(guān)鍵字：
1)_declspec(dllimport)
這組關(guān)鍵字表示從DLL中導(dǎo)入函數(shù)或者數(shù)據(jù)，一般用在DLL對應(yīng)的頭文件中。
2)_declspec(dllexport)
這組關(guān)鍵字表示從DLL中導(dǎo)出函數(shù)或者數(shù)據(jù)，一般用在DLL對應(yīng)的工程文件中。
編寫動態(tài)鏈接庫函數(shù)的方法與編寫一般函數(shù)的方法基本相同，只不過要對庫中的可導(dǎo)出函數(shù)進行必要的申明。下面以VC環(huán)境下一個最簡單的DLL工程dll_test進行說明，工程包含dll_test．h和dll_test．cpp兩個文件。

編譯上述dll_test工程即可得到動態(tài)鏈接庫dll_test．dll(在Debug或Release目錄下)，此動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)了add和sub函數(shù)的功能。在解決一些實際問題過程中，有時會遇到只有DLL而沒有與之相對應(yīng)的頭文件的情況，而MATLAB在調(diào)用DLL文件中的函數(shù)之前，必須具備頭文件中的函數(shù)聲明才行，這樣根據(jù)上述DLL的編寫規(guī)范可以很容易的編寫出與所調(diào)用的DLL相對應(yīng)的頭文件。

2 MATLAB調(diào)用C／C++動態(tài)鏈接庫
從Matlab6．5(R13)起，Matlab提供了對動態(tài)連接庫DLL文件的接口。利用這個接口，可以在Matlab中調(diào)用動態(tài)連接庫導(dǎo)出的函數(shù)。MAT LAB加載和使用動態(tài)鏈接庫函數(shù)僅通過7～8個函數(shù)就可以實現(xiàn)，只要掌握這些函數(shù)的使用方法，就掌握了加載和應(yīng)用動態(tài)鏈接的基本方法，從而可以在MATLAB平臺下輕松實現(xiàn)對硬件的訪問。
利用MATLAB共享庫接口實現(xiàn)對外部DLL庫的調(diào)用主要有以下幾個步驟。
1)加栽動態(tài)鏈接庫文件
在使用動態(tài)鏈接庫之前，必須將所需的動態(tài)鏈接庫加載到MATLAB工作空間中，之后MATLAB才能調(diào)用動態(tài)庫中的函數(shù)。函數(shù)lodalibrary用于加載動態(tài)鏈接庫，其使用語法如下：
loadlibrary(‘shdib’，‘hfile’)
loadlibrary函數(shù)有兩個輸入?yún)?shù)，參數(shù)shrlib表示庫文件的名稱，參數(shù)hfile為對應(yīng)庫的C語言頭文件，C語言的頭文件用于向MATLAB提供基本的函數(shù)說明。下面以一示例說明loadlibrary的用法，在命令提示窗口中輸入如下命令：
>>loadlibrary(‘dll_test’，‘dll_test．h’) (1)
通過以上命令即將dll_test．dll加載到MATLAB工作空間中。
2)瀏覽動態(tài)庫中的函數(shù)
成功加載動態(tài)鏈接庫后便可調(diào)用庫中提供的函數(shù)。與函數(shù)使用類似，在調(diào)用函數(shù)之前首先要明確函數(shù)各輸入輸出參數(shù)的含義及數(shù)據(jù)類型。一般情況下動態(tài)庫編寫者會提供相應(yīng)函數(shù)的幫助文檔，以便用戶理解函數(shù)的含義并對其進行調(diào)用。動態(tài)鏈接庫大多使用C或者C++語言編寫，然而標準的C或C++數(shù)據(jù)類型與MATLAB所使用的數(shù)據(jù)類型不盡相同，因此調(diào)用函數(shù)前首先要弄清被調(diào)用函數(shù)參數(shù)對應(yīng)于MATLAB環(huán)境下的數(shù)據(jù)類型。使用函數(shù)libfunctions可在MATLAB環(huán)境下查看動態(tài)庫中函數(shù)的聲明，并將原C函數(shù)中參數(shù)類型以對應(yīng)MATLAB參數(shù)類型顯示，之后便能正確的按照MATLAB語法規(guī)則進行調(diào)用。libfunctions用法如下：
libfunctions(‘libname’，‘-full’)
參數(shù)libname為已加載到MATLAB工作空間的動態(tài)庫文件名，-full為可選參數(shù)用于輸出函數(shù)的詳細說明。
>>libfunctions(‘dll_test’，‘-full’) (2)
輸入語句(2)后命令行中會顯示所有dll_test庫中的函數(shù)，如下：
Functions in library dll_test：
int32 add(int32，int32)
int32 sub(int32，int32)
3)調(diào)用動態(tài)庫中的導(dǎo)出函數(shù)
明確了動態(tài)庫中函數(shù)的參數(shù)類型后，便可利用MATLAB提供的calllib接口函數(shù)對庫中函數(shù)進行調(diào)用。calllib函數(shù)使用方法如下：
[x1，…，xN]=calllib(‘libname’，‘funcname’，arg1，…，argN)
參數(shù)libname表示被調(diào)用函數(shù)所在的庫文件名，funcname為被調(diào)用的函數(shù)名稱，arg1，…，argN為函數(shù)funename的輸入?yún)?shù)，x1，…，xN為函數(shù)funcname的返回值。以下為dll_test．dll中add函數(shù)的調(diào)用示例：
>>calllib(‘dll_test’，‘add’，1，2)
ans=
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4)卸載動態(tài)鏈接庫
當不再需要對動態(tài)庫中的函數(shù)進行訪問后，應(yīng)及時將動態(tài)庫從MATLAB工作空間中卸載。與加載動態(tài)庫類似MATLAB也提供對應(yīng)的卸載動態(tài)庫的命令unloadlibrary，例如：
>>unloadlibrary(‘dll_test’)
通過以上4步便可實現(xiàn)在MATLAB環(huán)境下對動態(tài)鏈接庫導(dǎo)出函數(shù)的調(diào)用。在實際應(yīng)用中通過調(diào)用硬件商提供的動態(tài)鏈接庫或者將其提供的API函數(shù)編譯為動態(tài)鏈接庫，便可實現(xiàn)在MATLAB平臺下實現(xiàn)對硬件資源的訪問。