MATLAB與C混合編程技術(shù)在A/D性能測試中的應(yīng)用

王益民

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

MATLAB是一套高級的數(shù)學(xué)分析和計(jì)算軟件，具有科學(xué)計(jì)算與可視化功能、簡單易用的開放可擴(kuò)展環(huán)境，以及多達(dá)30多個面向不同領(lǐng)域而擴(kuò)展的工具箱支持，集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析與仿真一體，功能強(qiáng)大和靈活，編程效率高，在需要快速驗(yàn)證算法時，相比常見的通用編程平臺(如:Visual C++等)有很大優(yōu)勢。但MATLAB也存在以下4點(diǎn)不足:

1)程序執(zhí)行逐行解釋，在實(shí)時仿真中影響速度;

2)無規(guī)范完整的圖形用戶界面標(biāo)準(zhǔn);

3)不能直接訪問底層硬件;

4)用戶界面單調(diào)。

上述不足限制了它不能作為通用的軟件開發(fā)平臺，這給工程計(jì)算與應(yīng)用帶來很大的不便［1-3］。

而常見的通用編程平臺(如:Visual C++等)，功能靈活，與硬件接口能力突出，但面對信號分析領(lǐng)域先進(jìn)的理論和方法，如:時頻分析、小波變換、遺傳算法等，編程效率低。因此，實(shí)現(xiàn)MATLAB與Visual C++的混合編程，使其有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值［4］。

MATLAB本身提供了多種外部接口，如:使用MATLAB自帶的MATLAB Compiler、利用MATLAB引擎、利用Active控件、利用MAT文件、C-MEX等，通過這些外部接口，實(shí)現(xiàn)MATLAB與其他編程環(huán)境的混合編程，可以擴(kuò)充MATLAB的強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和圖形顯示功能，而避開其缺點(diǎn)［1］。

在一種雷達(dá)接收機(jī)A/D性能測試設(shè)備的研制中，針對MATLAB與硬件設(shè)備的接口能力較差，不能直接訪問底層硬件設(shè)備的缺點(diǎn)，我們采用MATLAB外部接口混合編程技術(shù)，利用C語言編寫自定義的MEX函數(shù)，在MATLAB環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對計(jì)算機(jī)設(shè)備的讀寫驅(qū)動，可直接獲取A/D采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對數(shù)據(jù)分析處理，簡化了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，提高了實(shí)時性能，充分利用MATLAB編程效率高、數(shù)學(xué)計(jì)算功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。

1 A/D性能測試設(shè)備簡介

在一種雷達(dá)接收機(jī)中，采用中頻數(shù)字化方案，對雷達(dá)四個窄帶通道和一個寬帶通道的中頻信號進(jìn)行采樣、數(shù)字下變頻與正交相檢，形成數(shù)字化的A/D數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的串行化和光纖傳輸，送往信號處理機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，其信號數(shù)據(jù)率最大為320 MB/s，實(shí)時光纖傳輸速率為 2 Gb/s［5］。

A/D性能測試設(shè)備用于對接收機(jī)的A/D采樣性能進(jìn)行測試。它以VME總線作為硬件平臺，包含了單板計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸記錄模塊，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 A/D性能測試設(shè)備的系統(tǒng)框圖

圖中，單板計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，采用符合VME總線標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)模塊，運(yùn)行于Windows環(huán)境中。

數(shù)據(jù)傳輸記錄模塊用于實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)接收機(jī)的點(diǎn)對點(diǎn)高速連接，將A/D送來的光纖數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，存入板上存儲器暫存，當(dāng)存儲滿后，計(jì)算機(jī)讀取到系統(tǒng)內(nèi)存，由A/D性能測試軟件進(jìn)行分析處理。

2 基于MATLAB與C混合編程的硬件驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

A/D性能測試軟件運(yùn)行在Windows環(huán)境中，其總體框架如圖2所示。它通過數(shù)據(jù)讀寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對VME總線的讀寫操作，將A/D送來的光纖數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存，再由數(shù)據(jù)顯示與分析程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示并計(jì)算分析得出A/D的性能指標(biāo)。

圖2 A/D性能測試軟件框圖

由于MATLAB與硬件設(shè)備的接口能力較差，不支持訪問VME底層的硬件設(shè)備，常用的方法是通過VC++等通用軟件編寫數(shù)據(jù)讀寫程序，獲取外部數(shù)據(jù)后，再由MATLAB程序調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，使處理的實(shí)時性能降低，也給開發(fā)帶來一定難度。

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，我們結(jié)合MATLAB與C混合編程技術(shù)，采用C-MEX方式編程，實(shí)現(xiàn)在MATLAB環(huán)境下對計(jì)算機(jī)VME總線的讀寫驅(qū)動，直接完成A/D數(shù)據(jù)讀取的底層操作，在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。其實(shí)質(zhì)是在C框架下編寫硬件驅(qū)動程序，形成動態(tài)鏈接庫(DLL)函數(shù)，并保證該DLL函數(shù)符合MATLAB函數(shù)的接口要求，使之可被MATLAB直接調(diào)用。

下面著重介紹如何在MATLAB環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)讀取的VME總線驅(qū)動設(shè)計(jì)。

2.1 C-MEX方式簡介

所謂 MEX，是 MATLAB Executable的縮寫，即MATLAB的可執(zhí)行程序。在 Windows環(huán)境中，它是擴(kuò)展名為DLL的動態(tài)鏈接庫。MEX文件是MATLAB調(diào)用其他語言編寫的程序或算法的接口，它符合MATLAB的調(diào)用格式，可以在M程序中直接調(diào)用。

用戶可利用MATLAB的應(yīng)用程序編程接口，使用C語言、Fortran語言等編寫MEX函數(shù)，編譯完成的MEX函數(shù)就可以像其他內(nèi)建的MATLAB函數(shù)一樣使用。MEX函數(shù)源代碼由兩部分組成:

第一部分，稱為計(jì)算子程序(computational routine)，它是要鏈接的外部子程序，用于完成用戶定義的一些特定功能，如:數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)的輸入、輸出、對硬件的訪問和開發(fā)等，用戶想要將一些已經(jīng)編寫的程序和算法移植到MATLAB環(huán)境中使用，就需要將算法和程序整理成函數(shù)形式封裝。

第二部分，稱為入口子程序(gateway routine)，相當(dāng)于C語言中的main函數(shù)。入口子程序的作用主要是在MATLAB系統(tǒng)與被調(diào)用的外部子程序之間建立通信聯(lián)系，也就是:定義被MATLAB調(diào)用的外部子程序的入口地址，定義MATLAB系統(tǒng)向子程序傳遞的參數(shù)，還定義子程序向MATLAB系統(tǒng)返回的參數(shù)，以及調(diào)用計(jì)算子程序等。

MEX函數(shù)源代碼的兩部分既可以分開，也可以組合在一起，但文件頭必須包含語句:

#include“mex.h”

2.2 硬件驅(qū)動程序的編程實(shí)現(xiàn)

按照MATLAB的混合編程框架，在本程序中，編寫MEX函數(shù)形式的驅(qū)動程序，分為兩個部分:

1)入口程序的編程實(shí)現(xiàn)

在入口程序中，用戶主要完成兩個方面的任務(wù):一方面，從輸入的mxArray結(jié)構(gòu)體中獲得計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，然后再調(diào)用用戶的計(jì)算子程序加以使用;另一方面，用戶同樣可以將計(jì)算結(jié)果返回給用于輸出的mx-Array結(jié)構(gòu)體，這樣MATLAB系統(tǒng)就能夠獲得用戶計(jì)算子程序的結(jié)果。

入口子程序的函數(shù)名必須是mexFunction，函數(shù)共有4個參數(shù)，其中參數(shù)nrhs為MEX函數(shù)輸入?yún)?shù)的個數(shù)，nlhs為MEX函數(shù)輸出參數(shù)的個數(shù)，prhs是一個長度為nrhs的MEX函數(shù)輸入?yún)?shù)變量指針數(shù)組，plhs是一個長度為nlhs的MEX函數(shù)輸出參數(shù)變量指針數(shù)組。

源程序如下:

利用混合編程的關(guān)鍵點(diǎn)是輸入輸出接口參數(shù)的設(shè)置，只有保證驅(qū)動程序中定義的數(shù)據(jù)類型與MATLAB中的數(shù)據(jù)類型相匹配，才能進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸。

2)計(jì)算子程序的編程實(shí)現(xiàn)

計(jì)算子程序，主要完成硬件設(shè)備的VME總線讀寫，將A/D數(shù)據(jù)從板上數(shù)據(jù)存儲區(qū)讀入CPU內(nèi)存區(qū)。它由入口子程序調(diào)用。其源代碼如下:

/*向傳輸記錄板上的硬件基地址為JK_FIFOBASE，偏移量為0的硬件地址，發(fā)出寫總線命令，設(shè)置工作方式mode(寬帶方式或窄帶方式)，并啟動采集。

2.2.1 驅(qū)動程序的編譯

上述兩段程序存于ad_sample.c中，在MATLAB的命令窗口中輸入:mex ad_sample.c，當(dāng)正確無誤，編譯通過，生成與C語言文件名相同的DLL文件，該文件與其他MATLAB內(nèi)嵌函數(shù)一樣，可由MATLAB調(diào)用ad_sample了。

2.2.2 MEX函數(shù)的執(zhí)行流程

當(dāng)MEX文件生成后，在MATLAB環(huán)境中調(diào)用形式為:

ad_data=ad_sample(mode)

則MATLAB編譯器使用下面的變量來調(diào)用mex-Function:

nlhs=1 nrhs=1

plhs=(pointer)-＞/unsigned*/

prhs=(pointer)-＞mode

在C語言的MEX文件中，參數(shù)nrhs為MEX函數(shù)輸入?yún)?shù)的個數(shù)，nlhs為MEX函數(shù)輸出參數(shù)的個數(shù)，借助這兩個參數(shù)，MEX文件被調(diào)用。prhs是一個長度為nrhs的MEX函數(shù)輸入?yún)?shù)變量指針數(shù)組，plhs是一個長度為nlhs的MEX函數(shù)輸出參數(shù)變量指針數(shù)組，通過這兩個指針，可以在計(jì)算子程序中使用這些變量進(jìn)行計(jì)算。plhs指向空的數(shù)組是由于輸出ad_data在子程序執(zhí)行前尚未產(chǎn)生，入口程序的作用就是創(chuàng)建輸出數(shù)組并分配指針plhs［0］指向該數(shù)組。MATLAB調(diào)用MEX函數(shù)的運(yùn)行流程，如圖3所示。

2.2.3 試驗(yàn)測試

基于上述生成的讀寫驅(qū)動程序，我們編寫了界面化MATLAB的A/D性能測試軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析等功能，配合測試系統(tǒng)完成了對以2 Gb/s速率光纖傳輸?shù)腁/D數(shù)據(jù)的采集與性能測試。圖4為測試軟件從光纖通道獲取的A/D數(shù)據(jù)波形，三組波形分別反映了接收機(jī)A/D輸出的正交分量、同相分量以及模值的數(shù)據(jù)。

圖3 MEX文件的編譯運(yùn)行流程

圖4 A/D性能測試軟件的波形顯示界面

3 結(jié)束語

本文結(jié)合一種A/D性能測試設(shè)備的研制，論述了采用MATLAB和C語言混合編程的MEX函數(shù)技術(shù)，編寫對VME總線的硬件讀寫程序，解決了MATLAB不能支持硬件底層驅(qū)動的問題，擴(kuò)展了MATLAB的功能。本文所提出的方法不僅適用于此類硬件與MATLAB軟件的接口，還可實(shí)現(xiàn)MATLAB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)而用于MATLAB與其他應(yīng)用程序之間通信，有助于發(fā)揮不同軟件各自的優(yōu)勢，降低開發(fā)難度，達(dá)到簡化編程的目的，從而縮短軟件開發(fā)周期。

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