MATLAB与C混合编程技术在A/D性能测试中的应用

王益民

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

MATLAB是一套高级的数学分析和计算软件，具有科学计算与可视化功能、简单易用的开放可扩展环境，以及多达30多个面向不同领域而扩展的工具箱支持，集计算机辅助设计、分析与仿真一体，功能强大和灵活，编程效率高，在需要快速验证算法时，相比常见的通用编程平台(如:Visual C++等)有很大优势。但MATLAB也存在以下4点不足:

1)程序执行逐行解释，在实时仿真中影响速度;

2)无规范完整的图形用户界面标准;

3)不能直接访问底层硬件;

4)用户界面单调。

上述不足限制了它不能作为通用的软件开发平台，这给工程计算与应用带来很大的不便［1-3］。

而常见的通用编程平台(如:Visual C++等)，功能灵活，与硬件接口能力突出，但面对信号分析领域先进的理论和方法，如:时频分析、小波变换、遗传算法等，编程效率低。因此，实现MATLAB与Visual C++的混合编程，使其有机结合，优势互补，具有很强的应用价值［4］。

MATLAB本身提供了多种外部接口，如:使用MATLAB自带的MATLAB Compiler、利用MATLAB引擎、利用Active控件、利用MAT文件、C-MEX等，通过这些外部接口，实现MATLAB与其他编程环境的混合编程，可以扩充MATLAB的强大的数值计算和图形显示功能，而避开其缺点［1］。

在一种雷达接收机A/D性能测试设备的研制中，针对MATLAB与硬件设备的接口能力较差，不能直接访问底层硬件设备的缺点，我们采用MATLAB外部接口混合编程技术，利用C语言编写自定义的MEX函数，在MATLAB环境中实现了对计算机设备的读写驱动，可直接获取A/D采集的数据，进而对数据分析处理，简化了系统软件的设计，提高了实时性能，充分利用MATLAB编程效率高、数学计算功能强大的特点。

1 A/D性能测试设备简介

在一种雷达接收机中，采用中频数字化方案，对雷达四个窄带通道和一个宽带通道的中频信号进行采样、数字下变频与正交相检，形成数字化的A/D数据，并完成数据的串行化和光纤传输，送往信号处理机进行后续处理，其信号数据率最大为320 MB/s，实时光纤传输速率为 2 Gb/s［5］。

A/D性能测试设备用于对接收机的A/D采样性能进行测试。它以VME总线作为硬件平台，包含了单板计算机、数据传输记录模块，系统构成如图1所示。

图1 A/D性能测试设备的系统框图

图中，单板计算机是系统的控制核心，采用符合VME总线标准的计算机模块，运行于Windows环境中。

数据传输记录模块用于实现与雷达接收机的点对点高速连接，将A/D送来的光纤数据串/并转换变为并行数据，存入板上存储器暂存，当存储满后，计算机读取到系统内存，由A/D性能测试软件进行分析处理。

2 基于MATLAB与C混合编程的硬件驱动程序设计

A/D性能测试软件运行在Windows环境中，其总体框架如图2所示。它通过数据读写驱动程序实现对VME总线的读写操作，将A/D送来的光纤数据读入到内存，再由数据显示与分析程序对数据进行显示并计算分析得出A/D的性能指标。

图2 A/D性能测试软件框图

由于MATLAB与硬件设备的接口能力较差，不支持访问VME底层的硬件设备，常用的方法是通过VC++等通用软件编写数据读写程序，获取外部数据后，再由MATLAB程序调用数据进行分析处理，使处理的实时性能降低，也给开发带来一定难度。

在本文设计的系统中，我们结合MATLAB与C混合编程技术，采用C-MEX方式编程，实现在MATLAB环境下对计算机VME总线的读写驱动，直接完成A/D数据读取的底层操作，在此基础上，对数据进行分析和处理。其实质是在C框架下编写硬件驱动程序，形成动态链接库(DLL)函数，并保证该DLL函数符合MATLAB函数的接口要求，使之可被MATLAB直接调用。

下面着重介绍如何在MATLAB环境中，实现A/D数据读取的VME总线驱动设计。

2.1 C-MEX方式简介

所谓 MEX，是 MATLAB Executable的缩写，即MATLAB的可执行程序。在 Windows环境中，它是扩展名为DLL的动态链接库。MEX文件是MATLAB调用其他语言编写的程序或算法的接口，它符合MATLAB的调用格式，可以在M程序中直接调用。

用户可利用MATLAB的应用程序编程接口，使用C语言、Fortran语言等编写MEX函数，编译完成的MEX函数就可以像其他内建的MATLAB函数一样使用。MEX函数源代码由两部分组成:

第一部分，称为计算子程序(computational routine)，它是要链接的外部子程序，用于完成用户定义的一些特定功能，如:数值计算、数据的输入、输出、对硬件的访问和开发等，用户想要将一些已经编写的程序和算法移植到MATLAB环境中使用，就需要将算法和程序整理成函数形式封装。

第二部分，称为入口子程序(gateway routine)，相当于C语言中的main函数。入口子程序的作用主要是在MATLAB系统与被调用的外部子程序之间建立通信联系，也就是:定义被MATLAB调用的外部子程序的入口地址，定义MATLAB系统向子程序传递的参数，还定义子程序向MATLAB系统返回的参数，以及调用计算子程序等。

MEX函数源代码的两部分既可以分开，也可以组合在一起，但文件头必须包含语句:

#include“mex.h”

2.2 硬件驱动程序的编程实现

按照MATLAB的混合编程框架，在本程序中，编写MEX函数形式的驱动程序，分为两个部分:

1)入口程序的编程实现

在入口程序中，用户主要完成两个方面的任务:一方面，从输入的mxArray结构体中获得计算所需的数据，然后再调用用户的计算子程序加以使用;另一方面，用户同样可以将计算结果返回给用于输出的mx-Array结构体，这样MATLAB系统就能够获得用户计算子程序的结果。

入口子程序的函数名必须是mexFunction，函数共有4个参数，其中参数nrhs为MEX函数输入参数的个数，nlhs为MEX函数输出参数的个数，prhs是一个长度为nrhs的MEX函数输入参数变量指针数组，plhs是一个长度为nlhs的MEX函数输出参数变量指针数组。

源程序如下:

利用混合编程的关键点是输入输出接口参数的设置，只有保证驱动程序中定义的数据类型与MATLAB中的数据类型相匹配，才能进行正确的数据传输。

2)计算子程序的编程实现

计算子程序，主要完成硬件设备的VME总线读写，将A/D数据从板上数据存储区读入CPU内存区。它由入口子程序调用。其源代码如下:

/*向传输记录板上的硬件基地址为JK_FIFOBASE，偏移量为0的硬件地址，发出写总线命令，设置工作方式mode(宽带方式或窄带方式)，并启动采集。

2.2.1 驱动程序的编译

上述两段程序存于ad_sample.c中，在MATLAB的命令窗口中输入:mex ad_sample.c，当正确无误，编译通过，生成与C语言文件名相同的DLL文件，该文件与其他MATLAB内嵌函数一样，可由MATLAB调用ad_sample了。

2.2.2 MEX函数的执行流程

当MEX文件生成后，在MATLAB环境中调用形式为:

ad_data=ad_sample(mode)

则MATLAB编译器使用下面的变量来调用mex-Function:

nlhs=1 nrhs=1

plhs=(pointer)-＞/unsigned*/

prhs=(pointer)-＞mode

在C语言的MEX文件中，参数nrhs为MEX函数输入参数的个数，nlhs为MEX函数输出参数的个数，借助这两个参数，MEX文件被调用。prhs是一个长度为nrhs的MEX函数输入参数变量指针数组，plhs是一个长度为nlhs的MEX函数输出参数变量指针数组，通过这两个指针，可以在计算子程序中使用这些变量进行计算。plhs指向空的数组是由于输出ad_data在子程序执行前尚未产生，入口程序的作用就是创建输出数组并分配指针plhs［0］指向该数组。MATLAB调用MEX函数的运行流程，如图3所示。

2.2.3 试验测试

基于上述生成的读写驱动程序，我们编写了界面化MATLAB的A/D性能测试软件，实现了数据读取、数据显示、数据分析等功能，配合测试系统完成了对以2 Gb/s速率光纤传输的A/D数据的采集与性能测试。图4为测试软件从光纤通道获取的A/D数据波形，三组波形分别反映了接收机A/D输出的正交分量、同相分量以及模值的数据。

图3 MEX文件的编译运行流程

图4 A/D性能测试软件的波形显示界面

3 结束语

本文结合一种A/D性能测试设备的研制，论述了采用MATLAB和C语言混合编程的MEX函数技术，编写对VME总线的硬件读写程序，解决了MATLAB不能支持硬件底层驱动的问题，扩展了MATLAB的功能。本文所提出的方法不仅适用于此类硬件与MATLAB软件的接口，还可实现MATLAB进行网络通信，进而用于MATLAB与其他应用程序之间通信，有助于发挥不同软件各自的优势，降低开发难度，达到简化编程的目的，从而缩短软件开发周期。

［1］ 杨高波，亓 波.精通 MATLAB 7.0混合编程［M］.北京:电子工业出版社，2006.Yang Gaobo，Qi Bo.Mastering MATLAB 7.0 mixed programming［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 黄志军，戴余良，曾 斌，等.MATLAB外部网络接口的实现［J］.计算机与数字工程，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］ 赖 娟.VC++与Matlab的混合编程［J］.信息技术，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.雷达信号分析虚拟仪器的设计与实现［J］. 现代雷达，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.高速串行传输技术在雷达接收机中的应用［J］.现代雷达，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.