在MATLAB環(huán)境中調(diào)用DLL對(duì)硬件資源訪問的方法

饒和昌，趙英俊

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司開發(fā)的高性能的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，憑借其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和繪圖功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫和簡(jiǎn)潔高效的編程語言，被科技工作者們廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、圖像處理等各行各業(yè)[1-2]。盡管MATLAB本身是一個(gè)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(duì)較差，這在一定程度上限制了它的使用。對(duì)于那些涉及復(fù)雜算法同時(shí)又需要對(duì)硬件資源進(jìn)行訪問的系統(tǒng)，一般的做法是在一個(gè)通用的編程平臺(tái)（如 Visual C++、Visual Basic、Delphi等）上實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的訪問，而后調(diào)用MATLAB算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種方法優(yōu)點(diǎn)是通用性好，程序運(yùn)行效率高，適用大多數(shù)場(chǎng)合，但對(duì)開發(fā)人員編程能力有較高要求，開發(fā)周期較長(zhǎng)。在一些需要快速的驗(yàn)證模型和算法的場(chǎng)合，為充分發(fā)揮MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，以MATLAB作為主開發(fā)平臺(tái)來得更為合適。隨著模塊化的設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)硬件操作的同時(shí)，也使得MATLAB通過外部程序接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問成為可能。

文中具體論述一種基于動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用實(shí)現(xiàn)MATLAB訪問一般硬件的方法，并將該方法用于對(duì)高精度氣壓傳感器MS5803的數(shù)據(jù)采集，實(shí)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(dòng)態(tài)鏈接庫

在具體闡述MATLAB環(huán)境下調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)訪問外部硬件之前，有必要對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫做簡(jiǎn)要介紹。動(dòng)態(tài)鏈接庫英文為Dynamic Linkable 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[3]。動(dòng)態(tài)鏈接庫可以使用不同編程語言來編寫，只要符合標(biāo)準(zhǔn)即可。為了加深對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)調(diào)用的理解，下面以C/C++語言為例簡(jiǎn)要介紹動(dòng)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(duì)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(duì)應(yīng)的工程文件中。

編寫動(dòng)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(duì)庫中的可導(dǎo)出函數(shù)進(jìn)行必要的申明。下面以VC環(huán)境下一個(gè)最簡(jiǎn)單的DLL工程dll_test進(jìn)行說明，工程包含dll_test.h和dll_test.cpp兩個(gè)文件。

//dll_test.h

__declspec（dllexport） int add（int m， int n）；

__declspec（dllexport） int sub（int m， int n）；

//dll_test.cpp

#include ”dll_test.h”

__declspec（dllexport） int add（int m， int n）

{

return （m+n）；

}

__declspec（dllexport） int sub（int m， int n）

{

return （m － n）；

}

編譯上述dll_test工程即可得到動(dòng)態(tài)鏈接庫dll_test.dll（在Debug或Release目錄下），此動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)了add和sub函數(shù)的功能。在解決一些實(shí)際問題過程中，有時(shí)會(huì)遇到只有DLL而沒有與之相對(duì)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(duì)應(yīng)的頭文件。

2 MATLAB調(diào)用C/C++動(dòng)態(tài)鏈接庫

從Matlab6.5（R13）起，Matlab提供了對(duì)動(dòng)態(tài)連接庫 DLL文件的接口[1]。利用這個(gè)接口，可以在Matlab中調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫導(dǎo)出的函數(shù)。MATLAB加載和使用動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)僅通過7～8個(gè)函數(shù)就可以實(shí)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(dòng)態(tài)鏈接的基本方法，從而可以在MATLAB平臺(tái)下輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問。

利用MATLAB共享庫接口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部DLL庫的調(diào)用主要有以下幾個(gè)步驟[4]。

1）加載動(dòng)態(tài)鏈接庫文件

在使用動(dòng)態(tài)鏈接庫之前，必須將所需的動(dòng)態(tài)鏈接庫加載到MATLAB工作空間中，之后MATLAB才能調(diào)用動(dòng)態(tài)庫中的函數(shù)。函數(shù)lodalibrary用于加載動(dòng)態(tài)鏈接庫，其使用語法如下：

loadlibrary（‘shrlib’， ‘hfile’）

loadlibrary函數(shù)有兩個(gè)輸入?yún)?shù)，參數(shù)shrlib表示庫文件的名稱，參數(shù)hfile為對(duì)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(dòng)態(tài)庫中的函數(shù)

成功加載動(dòng)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(dòng)態(tài)庫編寫者會(huì)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(duì)其進(jìn)行調(diào)用。動(dòng)態(tài)鏈接庫大多使用C或者C++語言編寫，然而標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jìn)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(dòng)態(tài)庫文件名，－full為可選參數(shù)用于輸出函數(shù)的詳細(xì)說明。

＞＞libfunctions（‘dll_test’， ‘－full’） （2）

輸入語句（2）后命令行中會(huì)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(dòng)態(tài)庫中的導(dǎo)出函數(shù)

明確了動(dòng)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(duì)庫中函數(shù)進(jìn)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)funcname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’， ‘a(chǎn)dd’， 1， 2）

ans=

3

4）卸載動(dòng)態(tài)鏈接庫

當(dāng)不再需要對(duì)動(dòng)態(tài)庫中的函數(shù)進(jìn)行訪問后，應(yīng)及時(shí)將動(dòng)態(tài)庫從MATLAB工作空間中卸載。與加載動(dòng)態(tài)庫類似MATLAB也提供對(duì)應(yīng)的卸載動(dòng)態(tài)庫的命令unloadlibrary，例如：

＞＞unloadlibrary（‘dll_test’）

通過以上4步便可實(shí)現(xiàn)在MATLAB環(huán)境下對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫導(dǎo)出函數(shù)的調(diào)用。在實(shí)際應(yīng)用中通過調(diào)用硬件商提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫或者將其提供的API函數(shù)編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫，便可實(shí)現(xiàn)在MATLAB平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的訪問。

3 用MATLAB實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集

MS5803是瑞士Intersema公司生產(chǎn)的一款集成有壓阻式壓力傳感器和ADC接口的SMD混合集成電路，具有體積小（6.2×6.4 mm）、穩(wěn)定性好、低功耗（1 μA）、高分辨率、高精度等特點(diǎn)，其內(nèi)置的24位A/D轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和溫度的采樣，通過標(biāo)準(zhǔn)I2C和SPI接口與外部設(shè)備通信[5]。本設(shè)計(jì)以MATLAB為軟件開發(fā)平臺(tái)，MS5803為目標(biāo)器件，通過DLL調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)氣壓高度算法進(jìn)行快速測(cè)試與驗(yàn)證。氣壓高度計(jì)的原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[6]。

圖1 氣壓高度計(jì)原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of a barometric altimetry prototype

圖 1中GY7502為USB轉(zhuǎn)SPI適配器，一端與筆記本相連，另一端與MS5803連接，MS5803選擇工作在SPI接口模式。該原型系統(tǒng)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的接口適配器便建立了PC與傳感器的連接，之后即可按照一定的通信規(guī)則進(jìn)行編程完成對(duì)MS5803數(shù)據(jù)采集，輕松的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)由目標(biāo)器件到上位機(jī)的傳輸，后續(xù)借助于PC強(qiáng)大的運(yùn)算功能快速的對(duì)算法和模型進(jìn)行測(cè)試。

下面以MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)MS5803數(shù)據(jù)的采集為例，具體介紹前述關(guān)于擴(kuò)展MATLAB硬件訪問能力的方法。

GY7502型USB－SPI適配器以動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式提供了開發(fā)所需的接口函數(shù)并提供了各功能函數(shù)的頭文件定義，開發(fā)者只需要熟悉各個(gè)接口函數(shù)的定義及其功能便能方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)SPI接口器件的操作，而無需關(guān)注底層硬件的具體實(shí)現(xiàn)。以下為本設(shè)計(jì)中使用到了庫函數(shù)聲明。

//GY7502.h

DWORD __stdcall GY7502_Open（）；//打開設(shè)備

DWORD __stdcall GY7502_Close（）；//關(guān)閉設(shè)備

DWORD __stdcall GY7502_SetConfig（pGY7502_CONFIG_INFO pConfigInfo）；

//設(shè)置通信頻率及SPI總線模式

DWORD __stdcall GY7502_Read（pGY7502_DATA_INFO pDataInfo）；//讀 SPI總線

DWORD __stdcall

GY7502_Write （pGY7502_DATA_INFO pDataInfo）；// 寫SPI總線

pGY7502_CONFIG_INFO和pGY7502_DATA_INFO為GY7502.h定義的兩種結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型分別用于配置GY7502適配器工作模式和作為接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存。

MS5803在出產(chǎn)的時(shí)候生產(chǎn)廠商已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了初始標(biāo)定，并將標(biāo)定系數(shù)C1～C6固化在內(nèi)部的128位PROM中，傳感器采樣轉(zhuǎn)換輸出的原始數(shù)據(jù)D1和D2需要經(jīng)過系數(shù)C1～C6按照MS5803數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的模型進(jìn)行修正，才能計(jì)算出真實(shí)意義上的壓力值和溫度值。為此傳感器每次上電后系統(tǒng)需要先讀取出系數(shù)C1～C6，之后才能進(jìn)行壓力和溫度的采樣，基本工作流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集基本工作流程Fig.2 Flow chart of data acquisition

下面給出在MATLAB環(huán)境下通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方法實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵程序段。

%sample.m

%加載GY7502所需的動(dòng)態(tài)鏈接庫

loadlibrary GY7502 GY7502.h

%定義配置參數(shù)和讀寫緩沖

SetConfigInfo=libstruct（'GY7502_CONFIG_INFO'）

DataInfo=libstruct（'GY7502_DATA_INFO'）

D1=libstruct（'GY7502_DATA_INFO'）

D2=libstruct（'GY7502_DATA_INFO'）

...

%打開設(shè)備建立連接

calllib（‘GY7502’， ‘GY7502_Open’）

%配置GY7502工作模式

calllib （‘GY7502’， ‘GY7502_SetConfig’， GY7502_CONFIG_INFO）

%復(fù)位傳感器，讀取標(biāo)定系數(shù)C1～C6

…

%啟動(dòng)一次采樣

…

%讀取壓力和溫度轉(zhuǎn)換數(shù)值D1、D2

[result， D1]= calllib （‘GY7502’， ‘GY7502_Write’，DataReadD1）

[result， D2]= calllib （‘GY7502’， ‘GY7502_Write’，DataReadD2）

%計(jì)算溫度T及溫度補(bǔ)償后的壓力P

…

%采樣結(jié)束斷開連接

calllib（‘GY7502’， ‘GY7502_Close’）

%卸載動(dòng)態(tài)鏈接庫

unloadlibrary GY7502

完成數(shù)據(jù)采集之后，便可進(jìn)行壓力與高度換算。由于數(shù)據(jù)直接引入到MATLAB工作環(huán)境，借助于MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，極大地方便了后續(xù)算法及模型的測(cè)試工作，同時(shí)也降低了開發(fā)者的工作強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力深受廣大科技工作者的喜愛，但其對(duì)硬件的支持能力相對(duì)較弱。文中通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方法，增強(qiáng)了MATLAB對(duì)硬件的訪問能力，使得開發(fā)者可以在MATLAB環(huán)境下直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，極大地方便了系統(tǒng)算法和模型的測(cè)試。

[1]楊波，亓波.精通Matlab7.0混合編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]張志涌.精通Matlab6.5版 [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]任哲.MFC Windows應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[4]潘大夫，汪博，周志強(qiáng).Matlab與C/C++混合編程技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，30（2）：465-469.PAN Da-fu，WANG Bo，ZHOU Zhi-qiang.Research on mixed programming technology of Matlab and C/C++[J].Computer Engineering and Design，2009，30（2）:465-469.

[5]MEAS Switzerland SA.DS-MS5803-01BA.pdf[EB/OL].（2010-05-11）[2011-04-15].http://www.intersema.ch/index.php?option=com_rubberdoc&view=doc&id=88&format=raw.

[6]趙天成，饒和昌.一種基于MS5803和氣象數(shù)據(jù)的高度測(cè)量方法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（14）:44-47.ZHAO Tian-cheng，RAO He-chang.A barometric altimetry method based on MS5803 and meteorological data[J].Electronic Design Engineering，2011，19（14）:44-47.