VC与Matlab混合编程及复杂数据——结构体传递
作者:本站整理 时间:2015-06-26
Matlab 主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，但由于Matlab开发平台上开发的程序不能脱离Matlab运行环境，因而在处理一些实际应用问题时显得灵活性不足，而VC++则在一定程度上能够弥补这一漏洞，因此，将二者结合共用，各献其长，可以为科研工作和工程开发提供更为强大的技术支持。
Matlab作为控制系统设计的一种通用工具，它可以很方便的和VC进行连接。一般而言，Matlab与VC混合编程的实现方法有很多种，这里主要介绍以下两种：
1 VC调用Matlab Engine的方式：
Matlab Engine是一组Matlab提供的接口函数，支持C/C++语言，Matlab Engine采用C/S(客户机/服务器)模式，Matlab作为后台服务器，而C/C++程序作为前台客户机，向Matlab Engine传递执行命令和数据信息，从Matlab Engine接收执行结果。用户可以在前台应用程序中调用这些接口函数，实现对Matlab Engine的控制。采用这种方法几乎能利用Matlab全部功能，但是需要在机器上安装Matlab软件，缺点是执行效率较低。下面简单介绍下这种方式的实现步骤：
1.1 API接口介绍
先来介绍一组Matlab提供的引擎API接口：(仅作简单功能介绍，详细参数说明请参考Matlab帮助)
Engine* engOpen(const char* startcmd)启动Matlab引擎
int engClose(Engine* ep) 关闭Matlab引擎
int engEvalString(Engine* ep, const char* string)执行Matlab表达式
mxArray* engGetArray(Engine* ep, const char* name)获取一个变量数组的值
int engPutArray(engine* ep, const mxArray* mp)设置一个变量数组的值
int engPutVariable(Engine *ep, const char *name, const mxArray *pm)同上
mxArray *engGetVariable(Engine *ep, const char *name)获取一个变量
int engOutputBuffer(Engine* eP，char* p，int n)获取输出字符串
1.2 VC环境配置
要想在VC集成环境下调用Matlab引擎实现VC和Matlab的混合编程，一般需要经过以下几个必要的步骤：(以下以Matlab2008a和VS2005版本为例)
（1）添加include路径：将“externinclude”(在Matlab的安装路径下)路劲添加到VC编译器的include下
（2）添加lib路径：将“extern libwin32microsoft” (在Matlab的安装路径下) 路径添加到VC编译器的lib下
（3）加载lib：需要加载至少libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib三个库
（4）include头文件：在要使用 engine 函数的地方包含engine.h头文件
1.3 引擎调用
接下来就可以在VC中调用Matlab引擎了，简单的示例代码如下：
#include "engine.h"
#pragma comment(lib, "libeng.lib")
#pragma comment(lib, "libmx.lib")
#pragma comment(lib, "libmat.lib")
void TestDeno()
{
Engine* pEng = NULL;
if (!(pEng = engOpen(NULL)))
{
printf("Open matlab enging fail!");
return;
}
//call Engine plot A*sin(t)+B A=2 B=1
mxArray *A = NULL;
double init = 2;
A = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);
memcpy((void*) mxGetPr(A), (void*)&init, sizeof (double));
engPutVariable(pEng, "A", A);
init = 1;
memcpy((void*) mxGetPr(A), (void*)&init, sizeof (double));
engPutVariable(pEng, "B", A);
mxDestroyArray(A);
Sleep(3*60*1000);
engEvalString(pEng, "t=0:0.2:7;plot(t,A*sin(t)+B);");
if(NULL != pEng)
{
engClose(pEng);
}
}
示例代码通过VC调用Matlab引擎，绘制正弦曲线，相对简单，就不再详细解释，效图如下：(注意这里A、B的赋值方式，后续还会提及)
2 VC调用Matlab DLL的方式：
DLL是一个可执行的二进制文件。把很多通用的功能放在DLL中，可以供各种应用程序调用，这样可以很好的减少外部存储空间的占有量，并实现代码的共享。Matlab也支持将m程序编译成dll，供其他语言(包括VC、VB、Fortran等)调用，下面先简单介绍下Matlab DLL的编译步骤：
2.1 Matlab DLL制作
（1）配置Matlab的编译器跟，要将mex和mbuil两个都配置成本机上安装的VC，关于mex编译器的配置参见上一篇博文《S-Function实现simulink》，mbuild的配置方法同mex
（2）编译m函数成为dll，在matlab命令空间中使用mcc命令编译m文件：(mcc的使用参考Matlab帮助)
示例：将一个Matlab函数MyFun 编译成libMyFun 的命令：
mcc –W cpplib:libMyFun –T link:lib MyFun
参数说明：-W控制编译之后的封装格式，cpplib表示c++的lib，冒号之后是编译输出lib名，-T表示目标，link:lib表示连接到lib的目标，MyFun是待编译的m文件名，编译成功之后，会输出三个文件：libMyFun.lib libMyFun.dll libMyFun.h
2.2 DLL在VC中调用
要想在VC集成环境下调用Matlab的DLL，实现VC和Matlab的混合编程，一般需要经过以下几个必要的步骤：(以下以Matlab2008a和VS2005版本为例)
（1）VC环境配置，同前面VC调用Matlab引擎方式类似，也需要配置VC的编译环境，其中include路径、lib路径和前一种方式相同，加载的lib变更为：mclmcrrt.lib、libmx.lib、libmat.lib、mclmcr.lib四个，include的头文件变更为： mclmcr.h、matrix.h、mclcppclass.h三个。
（2）DLL中函数的调用，先看一下m函数编译成C++Dll之后的函数声明，例：matlab函数：function [y, out] = CaculateFun(x, in)编译之后对应c++的声明:void MW_CALL_CONV CaculateFun(int nargout, mwArray& y, mwArray& out, const mwArray& x, const mwArray& in)参数int nargout指定调用时，输出参数的个数，紧跟的后续nargout个参数y、out为输出参数，后续再剩下的多个参数x、in就为输入参数。
（2）DLL中函数的调用，先看一下m函数编译成C++Dll之后的函数声明，例：matlab函数：function [y, out] = CaculateFun(x, in)编译之后对应c++的声明:void MW_CALL_CONV CaculateFun(int nargout, mwArray& y, mwArray& out, const mwArray& x, const mwArray& in)参数int nargout指定调用时，输出参数的个数，紧跟的后续nargout个参数y、out为输出参数，后续再剩下的多个参数x、in就为输入参数。
（3）注意事项：在VC中调用dll中的函数之前，需要先调用函数libFunInitialize初始化，在调用完函数以后，需要再调用函数libFunTerminate和mclTerminateApplication终止。
准备好了上述步骤，就可以在VC中调用DLL中函数的了，简单的示例代码如下：
// include matlab sys head file
#include "mclmcr.h"
#include "matrix.h"
#include "mclcppclass.h"
// include lib head file
#include "libCaculateFun.h"
// link matlab sys lib
#pragma comment(lib, "mclmcrrt.lib")
#pragma comment(lib, "libmx.lib")
#pragma comment(lib, "libmat.lib")
#pragma comment(lib, "mclmcr.lib")
// link lib
#pragma comment(lib, "libCaculateFun.lib")
void TestDeno()
{
// init lib
if (!(libCaculateFunInitialize()))
{
std::cout<<"Could not init lib !"<<endl;
return -1;
}
double xxxx[2] = {0};
double inin = 0;
double yyyy[2] = {0};
double outo = 0;
// 为函数参数分配内存空间
mwArray mwXX(1, 2, mxDOUBLE_CLASS);
mwArray mwIn(1, 1, mxDOUBLE_CLASS);
mwArray mwYY(1, 2, mxDOUBLE_CLASS);
mwArray mwOut(1, 2, mxDOUBLE_CLASS);
// 为输入参数赋值
mwXX.SetData(&xxxx, 2);
mwIn.SetData(&inin, 1);
// 调用计算函数
CaculateFun(2, mwYY, mwOut, mwXX, mwIn);
// 获取输出参数
outo = mwOut.Get(1, 1);
// lib Terminate
libCaculateFunTerminate();
// MCR Terminate
mclTerminateApplication();
}
示例代码通过VC调用Matlab DLL，将变量xxxx的值付给yyyy，将变量inin的值付给outo，相对简单，就不再详细解释，(注意这里函数参数的赋值方式，后续还会提及)
3 Vc向Matlab函数传递参数
前面在介绍两种混合编程的方式时，示例代码中已经涉及到了参数的传递问题，对于VC中的简单数据类型：变量、数组等，网上已经有很多资料介绍，前面示例代码中也有所体现，这里不再详细说明。
关于复杂数据结构：用户自定义结构体类型，处理起来比较麻烦，网上能找到的资料也较少，由于前面提及的两种方式，在传递参数时，使用的数据类型是不一致的：引擎方式只能是mxArray类型，而DLL方式的参数只能是mwArray，因此需要分别介绍将结构体转换成这两种类型的方法：
先来定义两个结构体：
// 三维坐标系中的点
struct Postion
{
double x;
double y;
double z;
};
// 名字标示的一个坐标点
struct Coordinate
{
struct Postion pos;
char name[ARRAYSIZE];
};
分别介绍将如上两个结构体转成Matlab能使识别的Array的方法
（1） 结构体转换成mxArray：解释比较多余，就直接上代码吧：
mxArray *Staruct2mxArray(struct Postion *pStaruct)
{
mxArray *pm, *mx;
mwSize m = 1, n = 1;
const int nfields = 3;
const char *fieldnames[3] = {"x","y","z"};
const mwIndex index = 0;
pm = mxCreateStructMatrix(m, n, nfields, fieldnames);
mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
memcpy(mxGetPr(mx), &(pStaruct->x), sizeof(double));
mxSetFieldByNumber(pm, index, 0, mx);
mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
memcpy(mxGetPr(mx), &(pStaruct->y), sizeof(double));
mxSetFieldByNumber(pm, index, 1, mx);
mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
memcpy(mxGetPr(mx), &(pStaruct->z), sizeof(double));
mxSetFieldByNumber(pm, index, 2, mx);
return pm;
}
mxArray *Staruct2mxArray(struct Coordinate *pStaruct)
{
mxArray *pm, *mx;
mwSize m = 1, n = 1;
const int nfields = 2;
const char *fieldnames[2] = {"pos","name"};
const mwIndex index = 0;
pm = mxCreateStructMatrix(m, n, nfields, fieldnames);
mx = Staruct2mxArray(&(pStaruct->pos));
mxSetFieldByNumber(pm, index, 0, mx);
n = ARRAYSIZE;
mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxCHAR_CLASS, mxREAL);
memcpy(mxGetPr(mx), pStaruct->name, sizeof(char)*ARRAYSIZE);
mxSetFieldByNumber(pm, index, 1, mx);
return pm;
}
（2） 结构体转换成mwArray：
mwArray Staruct2mwArray(struct Postion *pStaruct)
{
mwSize m = 1, n = 1;
const int nfields = 3;
const char *fieldnames[3] = {"x","y","z"};
mwArray pm(m, n, nfields, fieldnames);
mwArray mx(pStaruct->x);
pm(fieldnames[0], 1, 1) = mx;
mwArray my(pStaruct->y);
pm(fieldnames[1], 1, 1) = my;
mwArray mz(pStaruct->z);
pm(fieldnames[2], 1, 1) = mz;
return pm;
}
mwArray Staruct2mwArray(struct Coordinate *pStaruct)
{
mwSize m = 1, n = 1;
const int nfields = 2;
const char *fieldnames[2] = {"pos","name"};
const mwIndex index = 0;
mxArray pm(m, n, nfields, fieldnames);
mxArray mpos = Staruct2mwArray(&(pStaruct->pos));
pm(fieldnames[0], 1, 1) = mpos;
mxArray mname(pStaruct->name);
pm(fieldnames[1], 1, 1) = mname;
return pm;
}
（3） mxArray转换成结构体：
struct Coordinate *mwArray2Staruct(mwArray pm)
{
// 代码仅处理 name 字段 pos 字段是三个简单类型省略
struct Coordinate *pStaruct = new struct Coordinate;
const int nfields = 2;
const char *fieldnames[2] = {"pos","name"};
mwArray mwStr = pm.Get(fieldnames[1], 1, 1);
char *str = strdup(mwStr.ToString());
memcpy(pStaruct->name,str,sizeof(char)*ARRAYSIZE);
return pStaruct;
}
（4） mwArray转换成结构体：
struct Coordinate *mxArray2Staruct(mxArray *pm)
{
// 代码仅处理 name 字段 pos 字段是三个简单类型省略
struct Coordinate *pStaruct = new struct Coordinate;
mxArray * mxname = mxGetFieldByNumber(pm, 1, 1)
mxArray * str = mxGetPr(mxname);
memcpy(pStaruct->name,str,sizeof(char)*ARRAYSIZE);
return pStaruct;
}
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