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C++Builder与Matlab混合编程的实现

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发表于 2004-5-28 10:10 |只看该作者 |正序浏览

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>之所以建这个新帖子，是希望能有一些对这两种语言进行混编所感兴趣的朋友参与讨论，大家交流一下自已的心得，共同提高。
在C++Builder中调用Matlab工具箱函数，有两种实现方式。
一种是基于Matlab环境支持，通过必要的设置实现；笔者在本刊上曾撰文对这种方式进行了专门的阐述。
另一种则是完全脱离Matlab环境，通过动态连接库方式实现对Matlab工具箱函数的调用，
这可以通过一种开发平台Mediva来实现。相对来说，前者的限制因素较多，而后者则较为方便灵活。 
<

>一、Mediva软件平台 
<

>　　Mediva是Mathtools公司推出的一种Matlab编译开发软件平台，提供对Matlab程序文件（M文件）的解释执行和开发环境支持。该软件有为Borland C++、Visual Basic和Dephi等编程语言开发的不同版本，目前其版本已经到了4.5版。软件大小仅6.5M，可以通过访问其站点<a href="http://www.mathtools.com" target="_blank" >www.mathtools.com</A>免费下载试用一个月。 Mediva软件平台本身的功能相当强大，提供近千个Matlab的基本功能函数，通过必要的设置，就可以直接实现与C++的混合编程，而不必再依赖Matlab；同时，Mediva还提供编译转换功能，能够将Matlab函数或编写的Matlab程序转换为C++形式的DLL，从而实现脱离Matlab环境对Matlab函数和过程的有效调用，这样就有可能实现对Matlab强大的工具箱函数的利用。 
<

>　　Mediva的缺点是C++与Matlab混合编写的应用软件必须携带必要的DLL，从而增大了软件的体积（约4M），同时也不能对所有的Matlab函数提供支持，例如采用类库进行设计的部分函数。但尽管如此，对于控制系统计算机设计、分析的工作来说，Mediva仍不失为一个好的工具。 
<

>　　由于利用Mediva将Matlab工具箱函数转换成DLL的内容较多，限于篇幅本文在此仅给出对Matlab函数直接调用的实现，而将另撰文阐述DLL的实现。 
<

>二、C++Builder直接调用Matlab函数 
<

>　　本文假设已经安装了Mediva软件或已经得到必要的两个动态连接库mdv4300.dll和ago4300.dll。 
<

>　　Mediva提供的近千个Matlab基本功能函数，都可以在C++Builder中直接调用。这些函数包括基本的操作、命令、I/O、线性代数、位图、控制等，基本上可以满足我们的一般需要。当然其最大的优点就是可以直接在C++Buider中直接调用而不必考虑安装庞大的Matlab。 
<

>　　其实现方式和步骤如下： 
<

>　　1．Lib文件的生成 
<

>　　在Dos下用C++Builder中的Implib.exe，通过如下命令生成mdv4300.lib: implib mdv4300.lib mdv4300.dll 
<

>　　将上述两个DLL文件和此Lib文件拷贝到当前目录下。 
<

>　　2．实现与Matlab的混合编程 
<

>　　Matlab.h包含了Mediva中所有类型、常量、函数的说明和定义，必须将此头文件放于程序的第一行。Mediva给出的Matlab函数形式并不特殊，如绘线函数Plot，在Mediva中说明为：Mm DLLI plot(cMm varargin)；varargin与Matlab 中的意义是一样的，与输入变量的个数相对应。所有可以直接使用的函数都在Matlib.h头文件中定义，而在mdv4300.dll中实现。 
<

>　　但在C++Builder中使用Mediva提供的Matlab函数的格式，与Matlab编程稍有不同，这主要体现在C++中必须进行必要的说明上。例如我们要用绘线函数Plot来绘制数组x[100]的红色图线。在Matlab中调用为Plot(x,'r')；在C++中调用则为：Plot(CL(x),TM("r"))，其中CL是一个关键字，是多变量输入时所必须使用的，用以指明调用的变量；而TM则指明，这是一个字符。 
<

>　　下面我们给出一个示例程序，其功能是对一个1024点的输入数组进行FFT 变换，并绘制变换后频谱实部的火柴杆图，最后将原数据和变换后的数据写入数据文件中。 
<

>#include "matlib.h" 
<

>//必须包含的头文件 
<

>#include <vcl.h> 
<

>#pragma hdrstop 
<

>#include "TryMatcomU.h" 
<

>#pragma package(smart_init) 
<

>#pragma resource "*.dfm" 
<

>TForm1 *Form1; 
<

>__fastcall TForm1::TForm1(Tcomponent* Owner) 
<

> : Tform(Owner) 
<

>{ 
<

>} 
<

>void __fastcall TForm1::Button1Click(Tobject *Sender) 
<

>{
 int k=0;
 initM(MATCOM_VERSION); //必须进行的初始化
 Mm cur1,cur2; //定义变量
 cur1=zeros(128);cur2=zeros(128); //变量初始化
 for(k=1;k& =128;k++)
cur1.r(k)=randM(); //生成一个随机数列
 figure(1);
 plot(cur1);//图形显示该数列
 cur2=fft(cur1,128); //做128点fft变换
 figure(2); //绘制fft变换后实部的火柴杆图，注意此处多变量输入的格式
 stem((CL(cur1),real(cur2),TM("r")));
 fid=fopen(filename,mode,format) opens
 exitM(); //退出调用
} 
　　如果完全使用C++来实现本程序的工作，其代码将超过300行！由此可以看出，C++Builder与Matlab函数的混合编程可以给我们带来多么大的方便！ 
　　3．变量内部状态/数据的观察方法 
　　Mediva使用的所有变量均定义为Mm类型。如果在C++Builder中观察Mm类型变量的内部状态/数据，要稍麻烦一些。但在调试程序时，这又是不可避免的一步，这里举例给出变量观察的方法。 
　　例如对上面生成的cur2数列进行观察， 
　　*cur2.pr 0.1892 cur2(1)的实部 
　　*cur2.pi 0.0013 cur2(1)的虚部 
三、C++Builder调用Matlab工具箱函数转换后的DLL 
　　1．Matlab函数向DLL的转化 
　　Mediva软件提供了将Matlab函数转换为DLL的功能，非常方便。但需要注意的是： 
　　1.Matlab5.0以上版本，所有带有tf类的函数均无法转换； 
　　2.Matlab4.2以下版本，多数函数能够转换，但转换后大多不能直接使用，而必须加以处理。 
　　MATCOM V4.3中把含有输入参数的M文件转换成DLL时,生成的DLL无法调用.以.M为例 
　　function [x1,x2]=flower(x3) 
　　MATCOM生成的FLOWER.CPP和FLOWER.H中声明为: 
 Mm flower(Mm x3, i_o_t, Mm& x1__o, Mm& x2__o)
{
 begin_scope
 x3.setname("x3");
 …
} 
 Mm flower(Mm x3); 
 Mm flower(Mm x3, i_o_t, Mm& x1__o, Mm& x2__o); 
而生成的G_FLOWER.CPP声明为: 
---- void DLLX _stdcall flower_1_1(Mm** in01, Mm **out01) 
---- void DLLX _stdcall flower_1_2(Mm** in01, Mm **out01, Mm **out02) 
---- 其中对于in01的说明是不正确的.应按如下修改。然后，按如下MAKE文件进行编译 
# 
# MATCOM makefile 
# 
all: flower.dll 
g_flower.obj: g_flower.cpp 
bcc32 -c -Id:\matcom43\ -WD -Id: 
\matcom43\lib -H=matlib.csm -a4 
-5 -eg_flower.obj g_flower.cpp 
flower.dll: flower.obj g_flower.obj 
bcc32 -Ld:\matcom43\ -WD -Id: 
\matcom43\lib -H=matlib.csm -a4 -5 -eflower.dll 
@flower.rsp d:\matcom43\lib\mdv4300b.lib 
　　在CPP中调用这个函数之前，一定要先给in01分配空间。 
 #include "matlib.h" 
 #pragma hdrstop 
 #include "flower.h" 
 #define WIN32_LEAN_AND_MEAN 
 #include & windows.h & 
 #include "matlib.h" 
 #pragma hdrstop 

 extern "C" { 
 void DLLX _stdcall flower_1_1(Mm in01, Mm **out01) { 
 *out01=new Mm(); 
 //*in01=new Mm(); 
 **out01=flower(in01); 
 exitM(); 
 } 
 void DLLX _stdcall flower_1_2(Mm in01, Mm **out01, Mm **out02) { 
 *out01=new Mm(); *out02=new Mm(); 
 //*in01=new Mm(); 
 flower(in01, i_o , **out01, **out02); 
 exitM(); 
 } 
C++Builder6通过Matcom4.5来调用Matlab中的函数
就脱离matlab环境而言，这种混合编程可以有两种方法。一是首先使用matcom对能完成某一运算的m文件进行编译，制作出exe文件，然后在C++Builder中使直接运行它。我觉得这种方法有很大的局限性，因为它的实质其实就是用具有强大功能的C++Builder画一个外壳。
第二个方法就是直接在C++Builder中写matlab语句了。首先要对机器进行设置：
1、将matcom\lib\matlib.h拷贝到CB\include目录下，将matcom\lib\v4500b.lib拷贝到CB\lib目录下。
2、建立一个新的工程，选择菜单Project\Add to project\，把v4500b.lib加入。
随后就可以编写代码了，这里我要强调一些细节。
1、在文件的最顶部加入#include "matlib.h"，一定要是最顶部。
2、随后加入USELIB("v4500b.lib");
3、写好代码，如果调试成功后，可以在“工程”菜单中静态编译，以供打包发布。
4、刚刚编译好的程序是不能直接拷贝到其它机器上用的，还需要把机器上的ago4500.dll和v4500b.dll两个库同时拷贝走才行。
5、注意第3步，这可能是整个工程中最令人郁闷的一步了。因为经常会有一些莫名其妙的错误发生，例如plot(x,'r')要写成plot((CL(x),TM("r")));这其中CL和TM还都好理解，可为什么还要再用一个括号把它们括起来，我就一直不明白；另外还有figure(1)一定要写成figure(CL(1))，真是百思不得其解，不然又会出错。而fft(x)就不能写在fft(CL(x))...所以我也希望大家能够参与讨论。
这里要声明一下，以上我写的东西可能有疏漏的地方，欢迎大家提出不同意见以改进。
最后是我写的一个例子，是对一个长为100的随机信号进行DFT。以供参考。
//窗体上仅加入一个Button控件
#include "matlib.h"
#include <vcl.h>
#pragma hdrstop
#include "Unit1.h"
USELIB("v4500b.lib");
#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
TForm1 *Form1;
//---------------------------------------------------------------------------
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)
: TForm(Owner)
{
}
//--------------------------------------------------------------------------- 
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
{
initM(MATCOM_VERSION); //初始化
Mm signal; //定义变量
signal=zeros(100); //变量初始化
for (int k=1;k<=100;k++)
signal.r(k)=randM(); //生成一个随机数列
var=fft(var); //做DFT变换
figure(CL(1));
plot((CL(real(signal)),TM("g")));
exitM();
}

C++Builder调用Matlab 
Borland C++Builder是一种新颖的可视化编程语言。在工程应用中,我们一般用C++Builder语言编写应用程序,实现交互界面、数据采集和端口操作等,但C++Builder在数值处理分析和算法工具等方面,其效率远远低于Matlab语言。在准确方便地绘制数据图形方面,Matlab语言更具有无可比拟的优势。此外,Matlab还提供功能强大的工具箱。但Matlab的缺点是不能实现端口操作和实时控制。因此,若能将两者结合运用,实现优势互补,将获得极大的效益。本文结合实际介绍了应用Borland
C++Builder3.0开发的Windos应用程序中,对Matlab的调用方法。一、C++Builder调用Matlab的实现方案
1. 实现思路
在高版本的Matlab中(如Matlab V4.2)提供了DDE接口,用户可以通过Windows的DDE通信基制实现外部调用。这种实现方式比较简单,但将增大主程序代码,影响运行速度。
在Windows系统中,DLL是一种很特别的可执行文件,可以被多个Windows应用程序同时访问,具有固定的共享数据段。该数据段的数据在DLL被Windows下载前会一直保留在内存中,因此可以通过DLL实现用户程序与Matlab之间的数据传输和函数调用。
具体地说,就是利用Matlab的32位动态连接库(DLL),生成相应的可以被C++Builder调用的DLL,用来提供二者之间的基本支撑环境。只需在用户程序中加载该DLL,即可实现其数据段的共享。然后在用户程序中操作DLL数据段的数据,并通过某种方式在用户程序中使Matlab执行该DLL,就可实现用户程序对Matlab的调用。其形式可以是混合编程或函数调用,非常方便而高效。
2. 实现方式
Matlab提供了可外部连接的DLL文件,通过将其转换为相应的Lib文件,并加以必要的设置,就可以在C++Builder中直接进行Matlab函数调用,实现C++
Builder语言与Matlab语言的混合编程。
(1) 运行环境要求
由于Matlab提供的是32位的DLL。其运行环境要求是Matlab V4.2或更高版本。C++Builder可以进行32位编程,这里我们采用的是V3.0版本。
(2) C++Builder下LIB文件的生成
Matlab提供的Def文件允许用户通过Implib命令生成相应的Lib文件。
其命令格式为 Implib ???.lib ???.def
在&matlab&\extern\include目录下,提供了如下三个.Def文件:
_libeng.def,_libmat.def,_libmx.def
通过上述命令可以生成相应的三个Lib文件。这些Lib文碱中包含了可外部调用的Matlab函数的必要信息。
二、实现计算和绘图
为清楚起见,通过一个简单的Cbuilder例程进行说明。该实例通过调用Matlab实现矩阵运算并绘制图形,来演示C++Builder对Matlab的调用。
在C++Builder编辑环境中,建立一个新的窗体MyForm,并放置一个按钮Demo。将工程文件命名为Try.prj,其主函数为try.cpp。在主函数中,我们将使用一个实现Matlab调用的子函数DemoMatlab,作为按钮Demo的响应事件。其源代码如下:
#include <vcl.h>
#pragma hdrstop
#include "Unit1.h"
#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
TMyForm *MyForm;
__fastcall TMyForm::TMyForm(Tcomponent* Owner):
 Tform(Owner)
 {
 }
void __fastcall TMyForm:

emoClick(Tobject
*Sender)
{ DemoMatlab();
//演示Matlab语言调用
}
为了调用Matlab中的函数,必须进行必要的设置,将包含这些函数的文件加入工程文件Try.prj。以下是操作过程:
1.
 在头文件中加入Engine.h。其包含了启动Matlab调用和关闭的函数声明。
2.
 打开Project|Option…对话框,点击Directories/Conditionals。●
 在Include Path中,加入目录路径&matlab&\extern\include,该路径包含了engine.h和matlab.h等有用的头文件。●
 在Library Path中,加入&matlab&\bin和&matlab&\extern\include。这两个目录路径包含了可外部调用的DLL和LIB文件。
3. 点选Project|Add to Project…对话框,加入如下库文件:
_libeng.lib,_libmat.lib和_libmx.lib。
在进行了这些必要的设置之后,我们就可以选用适当的函数来实现目标。
以下是子函数DemoMatlab的程序代码。
void DemoMatlab
{
 Engine
 *eng;//定义Matlab引擎
 char buffer[200]; //定义数据缓冲区
 int array[6]={1,2,3,4,5,6};
 mxArray *S = NULL, *T = NULL; engOpen(NULL); //打开MATLAB 引擎 ---1
 S= mxCreateDoubleMatrix(1,6, mxREAL);
 // 产生矩阵变量
 mxSetName(S, "S");
 memcpy((char*)
 mxGetPr(S),(char *) array, 6*sizeof(int));
 engPutArray(eng, S); //将变量X置入Matlab的工作空间
 engEvalString(eng, "T = S/S.^2;"); //计算
 engEvalString(eng, "plot(S, T);"); //绘制图形
 …… ……
 engOutputBuffer(eng, buffer, 200); //获取Matlab输出
 T = engGetArray(eng, "T"); //获得计算结果----2
 engClose(eng); //关闭Matlab引擎,结束调用
 mxDestroyArray(S); //释放变量
 mxDestroyArray(T);
 }
 若还需要执行其他功能和任务,那么按照上面介绍的方法,进行变量声明后,在1、2处加写需要的语句即可。

zan