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(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(shí)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(yàn)證，基于這種目的提出一種擴(kuò)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(shí)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(jì)原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)和算法的驗(yàn)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(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(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對硬件資源的訪問，而后調(diào)用MATLAB算法對數(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(yàn)證模型和算法的場合，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(shí)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(shí)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(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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(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(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)用動態(tài)鏈接的基本方法，從而可以在MATLAB平臺下輕松實(shí)現(xiàn)對硬件的訪問。
    利用MATLAB共享庫接口實(shí)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(jìn)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(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(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(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)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=
       3
    4)卸載動態(tài)鏈接庫
    當(dāng)不再需要對動態(tài)庫中的函數(shù)進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)在MATLAB平臺下實(shí)現(xiàn)對硬件資源的訪問。

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(6．2x6．4 mm)、穩(wěn)定性好、低功耗(1μA)、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。本設(shè)計(jì)以MATLAB為軟件開發(fā)平臺，MS5803為目標(biāo)器件，通過DLL調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)對傳感器的數(shù)據(jù)采集，并對氣壓高度算法進(jìn)行快速測試與驗(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。

    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)通過一個簡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)算功能快速的對算法和模型進(jìn)行測試。
    下面以MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對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)者只需要熟悉各個接口函數(shù)的定義及其功能便能方便的實(shí)現(xiàn)對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。

    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)的時候生產(chǎn)廠商已經(jīng)對其進(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。

    下面給出在MATLAB環(huán)境下通過調(diào)用動態(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。

   
    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)算法及模型的測試工作，同時也降低了開發(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，但其對硬件的支持能力相對較弱。文中通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方法，增強(qiáng)了MAT LAB對硬件的訪問能力，使得開發(fā)者可以在MATLAB環(huán)境下直接對硬件進(jìn)行操作，極大地方便了系統(tǒng)算法和模型的測試。