MATLAB 与 C 语言的接口

东北大学 薛定宇 (原作)

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MATLAB 到 C 语言程序的转换可以由两种途径完成，其一是 MATLAB 自己提供的 C 语言翻译程序 mcc, 另一种是原第 3 方公司 MathTools 开发的 MATCOM。后者出现较早，功能远比 MATLAB 自己的翻译程序强大，所以 MathTools 公司已经被 MathWorks 公司收购，并已将其开发技术融于新推出的 MATLAB 6.0 (Release 12) 中。

依本人的观点，二者都不完善，有大量的 MATLAB 函数及数据类型是不能兼容变换的，所以有时会发现将简洁的 MATLAB 程序翻译成 C 语言程序很晦涩。翻译后的 C 程序几乎不适合手动去维护，更谈不上升级了。

有几个不兼容的地方是不能令人容忍的，例如 eval() 函数在 C 翻译下是不兼容的，最新的 MATLAB 6 才刚刚敢说已经部分兼容了，但离真正的兼容还有很长的路要走，有很多艰难的技术困难需要克服，短时间内不可能有突破性的进展。另一个大的问题是，众所周知，MATLAB 新的控制系统工具箱中定义了大量的 LTI 类，MATLAB 5 开始也允许使用类与对象的概念，这已经向“面向对象”的编程走了一大步，但 MATLAB 到 C 的翻译明显都不支持“对象”的数据类型，所以在控制系统分析与设计 (当然还有其他的领域) 中这样的转换几乎没有什么实际意义，所以不要将这样的转换太理想化。

从转换的程序速度来看，因为 mcc 和 MATCOM 都沿用了 MATLAB 的程序运算机制，所以不可能大幅度地提高程序运行速度。相反地，如果将 MATLAB 程序中明显的瓶颈部分用 C 语言按照 MEX 格式编写，则可以大大加快速度。作者在《科学运算语言 MATLAB 5.3 程序设计及应用》一书中以例子做过探讨，MCC 可以比快 50%, 而 MEX 的形式可能快上百倍。

〖举例〗分形问题：从初始点(x0,y0) 出发，按下面的公式生成新的点 (x1,y1)

其中 gi 为 (0,1) 区间均匀分布的随机数。要求从 (x1,y1) 再生成 (x2,y2),...，直至生成 1,000,000 个点(有点夸张，但太少了用 MATLAB 测时间不准)。可以下载用 MATLAB 的 M-函数写的程序、用 Mex_C 写的程序。程序调用语句为：

>> N=1000000; v=rand(N,1); tic; [x,y]=frac_tree(0,0,v,N); toc

然后测试一下速度，再想法用 MATCOM 或 MCC 转换一下，再试试速度。问题：MATCOM 程序到底比 M 函数快多少？我用 Mex_C 实现的速度可是快100多倍啊！下面有文章介绍，用 MATCOM＋VC 能平均快1.5倍 (在别的应用上)，依作者的观点，为了这区区 1.5 倍还不至于自己给自己找麻烦去用 MATCOM。

这样看，可能 MATLAB 到 C 转换唯一的好处就是它能开发具有自主版权的软件了。 所以本人一般不太赞同用这样的转换方法去开发程序，尤其不赞成刻意追求 MATLAB + C 的方式。本人认为：除非必要，一般别采用这样的方法。提出这样的观点，欢迎商榷。

MATCOM 目前有 BC 和 VC 两个程序，MATLAB ＋ VC 之家中收录了一些文章。作者见到有下载区有这样的软件。

在这里给出一个下载区的链接

C++Builder 调用 Matlab 的实现方法

国防科技大学机电工程与仪器系 张云洲

摘要：本文简要叙述了Matlab语言的优点，介绍了在用Borland C++Builder语言开发的Windows应用程序中，调用matlab语言实现科学计算和图形绘制的方法。

关键词：C++Builder Matlab调用 混合编程

1. 引言

Matlab是一个高度集成的系统，集科学计算、图象处理、声音处理于一体，具有极高的编程效率。近年来，Matlab已经从最初的“矩阵实验室”，渗透到科学与工程计算的多个领域，在自动控制、信号处理、神经网络、模糊逻辑、小波分析等多个方向，都有着广泛的应用。

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。

2. C++Builder调用Matlab的实现方案

2.1 实现思路

在高版本的Maltab中（如Matlab V4.2）提供了DDE接口，用户可以通过Windows的DDE通讯基制实现外部调用。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。

2.2 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。

2.2.1 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。

2.2.2 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文件中包含了可外部调用的Matlab函数的必要信息。

3. C++Builder调用Matlab实现计算和绘图

为清楚起见，作者通过一个简单的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：

a． 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。

b． 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。

c. 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);

}

若还需要执行其它功能和任务，那么按照上面介绍的方法，进行变量声明后，在①、②处加写需要的语句既可。

当然，使用这种方法调用Matlab不能脱离Matlab环境的支撑。但当我们不需要看到Matlab的命令窗口时，可将其赋予Swhide属性而加以隐藏。

4. 结语

按照本文介绍的方法来实现C++Builder下应用程序对Matlab的调用，可以充分利用Matlab强大的科学计算功能和丰富的工具箱，而且具有混合编程、方便高效的优点。这是C++语言和其它高级语言所无法比拟的。按照本文的方法，我们还可以编写程序来最充分地利用Matlab的其它资源，开发满足自己需要的程序，更有效地完成我们的工作。

VC++ 下如何利用 Matlab 工具箱进行数字信号处理

潘 卫 明 赵 敏 张 进 芳

(南京航空航天大学 测试工程系 210016)

摘要：本文详述了在Vc环境下如何利用Matlab工具箱进行数字信号处理，全文以Matlab工具箱中功率谱密度分析函数为例，介绍了通过Matlab自带的引擎、Matlab自身的编译器以及利用MathTools公司的Matcom进行对工具箱函数的调用。

关键词：Matlab M-文件 引擎 编译器 Matcom Vc++

Matlab的信号处理工具箱是信号算法文件的集合，它处理的基本对象是信号与系统，信号处理工具箱位于目录、Toolbox\Signal下，利用工具箱中的文件可以实现信号的变换、滤波、谱估计、滤波器设计等。在其它的环境如Vc下如果能调用Matlab工具箱中的文件，会大大地加快一些算法的实现，同时其可靠性也很高。

利用Matlab引擎

Matlab引擎采用客户和服务器计算方式，在运用中，Vc的C语言或C++语言的程序作为前端客户机，它向Matlab引擎传递命令和数据信息，并从Matlab引擎接收数据信息，它提供了下列几个函数： engOpen, engGetArray, engPutArray, engEvaString,

engOutputBuffer ,engClose与客户机进行交互。

下面例程是在Vc下建一个基于对话框的应用程序，在对话框中设置一个Button控件OnMatlabEngine.,在对话框 .cpp文件中加入”engine.h” 和“math.h” 头文件，下面给出部分程序清单。

Void CtestmatlabDlg::OnMatlabEngine(){

Engine *ep;

mxArray* T=NULL,*result=NULL,*mFs=NULL,*mnfft= NULL;

double datax[1024];

char buffer[1024];

for(int j=0;j<1024;j++)//注：如通过采集卡采集数据可将采集的数据放在datax[]数组中,此循环就不需要

{

double samt=(double)(1.0/1024);

datax[j]=sin(2.0*63.0*samt*3.1415926+1.15*3.1415926);

}

double *pPxx,*pFxx;

if(!(ep=engOpen(" {post.content}"))){//打开Matlab引擎，建立与本地Matlab的连接

fprintf(stderr,"\n Can't start MATLAB engine\n");

exit(-1);

}

double Fs[1]={1024};//因为Matlab所有参与运算的参数都是矩阵的形式，因而下列几行将参数转变

double nfft[1]={1024};//成Matlab可接受的矩阵形式。

T=mxCreateDoubleMatrix(1,1024,mxREAL);

mnfft=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);

mFs=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);

mxSetName(T,"T");

mxSetName(mnfft,"mnfft");

mxSetName(mFs,"mFs");

memcpy((char*)mxGetPr(T),(char*)datax, 1024*sizeof(double));

memcpy((char*)mxGetPr(mnfft),(char*)nfft, sizeof(double));

memcpy((char*)mxGetPr(mFs),(char*)Fs,1*sizeof(double));

engPutArray(ep,T); //将转化的参数放入引擎中，此时可在Matlab command窗口下查看此参数

engPutArray(ep,mnfft);

engPutArray(ep,mFs);

engEvalString(ep,"[pxx,fo]=psd(T,mnfft,mFs);"); //利用引擎执行工具箱中文件

engOutputBuffer(ep,buffer,512); //如只想看显示图形，可将返回参数去掉，psd无返回参数缺省情况下会自动画图形

result=engGetArray(ep,"pxx");//取出引擎中的数据放在所指的区域中供后续处理

pPxx=mxGetPr(result);

result=engGetArray(ep,"fo");

pFxx=mxGetPr(result);

engEvalString(ep,"plot(fo,10*log10(pxx));");//利用引擎画图

engEvalString(ep,"title('功率谱分析');");

engEvalString(ep,"xlabel('Hz');");

engEvalString(ep,"ylable('db');");

mxDestroyArray(T); //释放内存

mxDestroyArray(mFs);

mxDestroyArray(mnfft);

mxDestroyArray(result);

engEvalString(ep,"close;");

engClose(ep);

}

上述程序在Vc下编译需要将 libeng.dll和libmx.dll两个动态库利用以下的命令：

lib/def:<自己的Matlab的安装路径,下同>e:\ Matlab\extern\include\*.def /machine:ix86 /out:*.lib来生成程序所需的静态连接库libeng.lib和libmx.lib,将libeng.lib和libmx.lib所在的目录加入Vc++ project/link/object/library modules下即可。

利用Matlab自身的编译器调用工具箱中的函数

Matlab的编译器可将Matlab的M文件转换为为C或C++的源代码以产生完全脱离Matlab运行环境的独立的运用程序，但Matlab本身的资料说明编译器如用来建立独立的运用程序，不能调用Matlab工具箱中的函数，这非常不利于搞一些特殊的算法。本人研究了一段时间发现，工具箱中的函数既然是M文件就一定可以用编译器来编译，以提供如Vc的调用函数，但是编译器只能编译一个独立的M文件，即这个 M文件不依赖于其他的M文件。如果M文件中又调用了其他的M文件，可将被调用的M文件拷贝到调用M文件的相应位置，作适当的改动就可以用于编译器编译。编译器不支持图形函数，所以M文件中如有图形函数需注释掉。

当Matlab的编译器mcc加入适当的参数-e(mcc –e *.*)或-p(mcc –p *.*)就可生成将输入的M文件转换为适用于特定运用的C或C++源代码。这样如果要在Vc下编译通过,还需连入以下几个库libmmfile.dll, libmatlb.dll, libmcc.dll, libmat.dll. libmx.dll. mibut.dll 以及Matlab C MATH库，建议采用前述的方法将动态连接改为静态连接。对于C/C++编译环境的设置，在Matlab command窗口下运行mex –setup 然后依提示操作，而对于C/C++连接环境的设置，运行mbuild –setup依提示操作即可。

下面给出利用编译器将Matlab工具箱中psd.m文件生成可供Vc调用的函数。

将psd.m文件拷贝一份至Matlab\bin目录下，改写相应调用的M文件如nargchk.m, hanning.m等。为生成的代码简洁，对于采集数据处理输入参数很明了的情况下可作大量的删减，最终使psd.m成为一个不依赖于其他M文件的独立的M文件，注意千万注释掉作图代码，最终改成如下形式，限于篇幅给出关键的几步：

function [Pxx,f]=psd(Fs,nfft,noverlap,x)

window=o,5*(1-cos(2*pi*(1:nfft)’/(nffft+1)));//hanning 窗

dflag=’none’;

window=window(

………………………………….

以上只要稍懂Matlab语言和信号处理知识就可完成这项工作。

假设上述代码重新存为testwin.m,在Matlab command 窗口下设置好环境参数运行mcc –e testwin,则可在Matlab\bin下生成testwin.c ,如运行mcc –p testwin 则生成testwin.cpp.

Vc下建立一个基于对话框的文件，然后在对话框里加一个Button控件OnButtonPsd

将上述生成的.c文件的头文件加入到工程的.cpp中，且将#ifdef_cplusplus

extern “c”{

#end if

c代码声明加入Vc的包含文件和生成的.C的包含文件之间

将#ifdef_cplusplus

}

#end if加入.cpp文件未尾

为了简洁且便于处理将生成的c函数稍改动，给出部分代码如下：

void CTestpsdwinDlg::OnButtonPsd(){

mxArray* x_rhs_;//指向采集数据存放区

Fs=23510;//数据采集的频率 nfft=1024;//1024点的fft

double datax[1024]//采集的数据

x_rhs_mxCreateDoubleMatrix(1,1024,mxReal);

memcpy(mxGetPr(x_rhs_),datax,1024*sizeof(double));

noverlap=512;

……………….

……………….

mccCopy(&Pxx,&Spec);

mccCopy(&f,&frevgg_vector);

for(int j=0;j<(int)(nfft/2+1);j++)

{

datap[j]=mccGetRealVectorElement(&Pxx, (j+1));//功率谱密度存于datap[]数组

dataf[j]=mccGetRealVectorElement(&f, (j+1));//相应频率存于数组dataf[]中

}

mccFreeMatrix(&Pxx);

……………….

SendMessageBox(WM_PAINT,0,0);//利用Vc下的图形函数画图

Return;

}

如上生成的程序可读性不太好，而生成的c++代码则可读性较好，但千万注意只能用 Matlab的MATH库，不可用c++的MATH库，否则编译会出错，限于篇幅在此不述。

3）利用Matcom调用工具箱中的函数

Matcom编译M文件，先将M文件按照与Matcom的cpp库的对应关系翻译为cpp源代码，然后用对应版本的c编译器将cpp文件编译成相应的exe或dll文件，所以第一次运行要指定c编译器的路径，否则无法编译，指定好的编译信息就写在Matcom\bin\matcom.ini文件中，不过这一步按装matcom时，它自动寻找编译器并将其写入matcom.ini文件中，matcom4.5版中使用TeeChart3.0 OCX控件，因而它支持图形操作。 我们依然用上述的testwin.m文件，不要将图形函数注释掉，利用Mideva来生成可被Vc调用的信号处理程序。

运行Mideva在主界面上直打开M文件，在菜单中选择compile to dll,输入testwin..在Matcom debug目录下可以找到这样的几个文件，testwin.c ,testwin.h,testwin.cpp,testwin.lib,testwin.dll,testwin.exp等。

将上述testwin.cpp和testwin.h加入工程中，project/add to project/files并且在相应的文件中加入”stdafx.h”

加连接库：Tools\option\directory\ ， 选include选项,加入e:\matcom45\lib (包含matcom.h)

library选项，加入e:\matcom45\lib

4) project\add to project\files 文件类型选项选（.lib）将e:\matcom45\lib\v4501.lib加入工程中编译运行。相应代码如下：

void CtestmatcomDlg::OnpsdButton(){

double datap[512],dataf[512];

initM(MATCOM_VERSION);//初始化matcom库

Mm Fs,nfft,noverlap;//创建矩阵

Mm x=zeros(1,1024);

Fs=1024;nfft=1024;noverlap=128;

dMm(Pxx_o);dMm(f_o);//创建并命名矩阵

datax[];//数据采集的数据存于此数组中

for(int i=1;i<=1024;i++)

{

x.r(1,i)=datax[i+1];//给x阵赋值

}

testwin(Fs,nfft,noverlap,x,i_o,Pxx,f_o);//matcom生成的函数

for(i=0;i<513;i++){//取出功率谱密度分析结果

dataf=f_o.r(i+1,1);

datap=Pxx_o.r(i+1,1);}

exitM();

return;

}

可见利用Matcom进行M文件转换非常的容易，生成的代码可读性很好，以上的转换同时生成了可供Vc调用的动态连接库，其使用和一般的动态库一样使用。同时需指明Matcom不仅可转换独立的不依赖于其它M文件的M文件，同时可转换调用其它M文件的M文件嵌套。条件是这此M文件在同一个目录下面，如前所述的psd.m可直接用上述方法转换，生成了多个重载形式的psd函数

结论： 利用Mtlab引擎调用工具箱中的函数可节省大量的系统资源，应用程序整体性能较好，但不可脱离Matlab 的环境运行。用Matlab编译器进行工具箱函数的调用，须转换相应的Ｍ文件使其成为独立的Ｍ文件，且不支持图形函数，转换的代码可读性不太好。用Matcom 进行转换非常方便，生成的代码可读性很好，支持图形函数，且代码执行的速度比不转换平均要快 1.5 倍以上。以上程序在Vc++ 6.0, Matlab 5.2, Matcom 4.5 中调试通过,以上方法在工程实践中已得到很好的运用。

通过 VC++ 实现对 MATLAB 的调用

成都 .中国科学院光电技术研究所 邮编：610209 齐 波 董能力

一 引言

众所周知，MATLAB是功能非常强大的数学软件，它广泛应用于线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等领域。因此如果把MATLAB的程序加入到自己的VC++、VB、POWER STATION及其它语言编制的程序中，将大大减少编程的工作量、保证程序的准确性，并且继承VC++良好的用户界面。下面就以VC++ 为例介绍一下它的外部调用。

二 程序实现

--作者实现外部调用的思路是：首先将m文件加入到一段C程序中,然后通过MATLAB中的mex批处理文件将该C文件生成exe文件，然后通过VC++的外部调用的函数：shellexec()或winexec（）实现调用。 mex批处理文件的调用格式如下：

mex -f msvc60engmatopts.bat *.c

c文件的格式如下:

/* engwindemo.c

* This is a simple program that illustrates how to call the MATLAB

* Engine functions from a C program for windows

* Copyright 1996-1998 by The MathWorks, Inc.

* All Rights Reserved.*/

#include < windows.h >

#include < stdlib.h >

#include < stdio.h >

#include < string.h >

#include < d:\matlab\extern\include\engine.h >

void main()

{

Engine *ep;

/*

* Start the MATLAB engine

*/

if (!(ep = engOpen(NULL))) {

MessageBox ((HWND)NULL, (LPSTR)

"Can't start MATLAB engine",

, MB_OK);

exit(-1);

}

engEvalString(ep, "contour(peaks)");

engClose(ep);

}

- 程序中的黑体部分即为要加入的m文件的位置。这样就生成了与m文件同名的exe文件,通过VC++中的外部调用函数便?\lib 的m?