第八章MATLAB高级应用.docx

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第八章MATLAB高级应用

第8章MATLAB高级应用

8.1MATLAB应用接口

8.1.1MEX文件

MEX文件具有以下几个方面的应用：

（1）对于已存在的C或FORTRAN子程序，可以通过MEX文件在MATLAB环境中直接调用，而不必重新编写M文件。

（2）由于MATLAB是解释性语言，运行如for等循环体时，会出现速度十分缓慢的现象，为了能提高速度，往往要使用MEX程序。

（3）对于A/D、D/A卡，或其它PC硬件，可以直接用MEX文件进行访问。

（4）利用MEX文件，可以使用如Windows用户图形界面等资源。

1.MEX文件系统设置

下面采用MicrosoftVisualC/C++6.0编译器，在命令窗口使用“mex-setup”命令，对MEX文件编译器进行配置：

>>mex-setup

则会出现如下提示：

Pleasechooseyourcompilerforbuildingexternalinterface（MEX）files:

Wouldyoulikemextolocateinstalledcompilers[y]/n?

y

让用户选择是否同意mex命令自动定位已经安装的编译器，输入“y”后，回车出现如下提示：

Selectacompiler:

[1]DigitalVisualFortranversion6.0inC:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio

[2]LccCversion2.4inD:

\MATLAB6P1\sys\lcc

[3]MicrosoftVisualC/C++version6.0inD:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio

[0]None

提供用户选择编译器作为默认的MEX文件编译器，通过键盘输入“3”后，回车出现如下提示：

Pleaseverifyyourchoices:

Compiler:

MicrosoftVisualC/C++6.0

Location:

D:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio

Arethesecorrect?

（[y]/n）:

确认所选择的编译器，通过键盘输入“y”后，回车出现如下提示：

Thedefaultoptionsfile:

"D:

\DocumentsandSettings\ZJDCY\ApplicationData\MathWorks\MATLAB\R12\mexopts.bat"

isbeingupdatedfromD:

\MATLAB6P1\BIN\WIN32\mexopts\msvc60opts.bat...

InstallingtheMATLABVisualStudioadd-in...

UpdatedD:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio\common\msdev98\template\MATLABWizard.awx

fromD:

\MATLAB6P1\BIN\WIN32\MATLABWizard.awx

UpdatedD:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio\common\msdev98\template\MATLABWizard.hlp

fromD:

\MATLAB6P1\BIN\WIN32\MATLABWizard.hlp

UpdatedD:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio\common\msdev98\addins\MATLABAddin.dll

fromD:

\MATLAB6P1\BIN\WIN32\MATLABAddin.dll

MergedD:

\MATLAB6P1\BIN\WIN32\usertype.dat

withD:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio\common\msdev98\bin\usertype.dat

则表示编译器成功配置。

2.测试配置

在MATLAB环境的当前目录浏览器窗口中，将MATLAB的extern\examples\mex目录设置为当前目录，然后在命令窗口中输入：

mexyprime.c

则在extern\examples\mex目录下，就生成了“yprime.dll”文件，查看该yprime.dll文件的信息，在命令窗口中输入：

>>whichyprime

D:

\MATLAB6p1\extern\examples\mex\yprime.dll

并调用yprime.dll文件：

>>yprime（1,1:

2:

7）

ans=

3.000014.99257.0000-1.0377

3.C语言MEX文件的构成

程序的构成主要由入口子程序和计算功能子程序两部分组成。

（1）入口子程序

第一部分入口子程序的作用是在MATLAB系统与被调用的外部子程序之间建立通信联系。

入口子程序必须是mexFunction，其构成形式为：

voidmexFunction（intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[]）

{

/*用来完成MATLAB与计算子程序之间通信任务的代码*/

}

mexFunction函数的参数含义为：

▪nrhs：

为输入参数的数目。

▪prhs：

为输入参数数组，是指针数组。

▪nlhs：

为输出参数的数目。

▪plhs：

为输出参数数组，是指针数组。

（2）计算功能子程序

第二部分为计算功能子程序，包含所有的实际需要完成的功能源代码，可以是用户以前所编写的算法和程序，以函数的形式存在。

4.C语言MEX文件的建立

（1）常用MATLABAPI函数

在MEX文件中，常用MATLABAPI函数有：

▪mxGetM：

获得矩阵的行数。

▪mxGetN：

获得矩阵的列数。

▪mxGetPr：

获得矩阵的实数部分的数据指针。

▪mexErrMsgTxt：

输出错误信息，并返回到MATLAB命令提示符下。

▪mxCreateString：

创建一个字符串矩阵。

▪mxCreateDoubleMatrix：

创建一个二维未赋值的双精度浮点类型的矩阵。

▪mxIsDouble：

判断矩阵是否为双精度类型。

（2）C语言MEX文件的创建步骤

通过创建计算一个数平方倒数值的程序，来介绍一个MEX文件创建的过程。

【例8.1】在MicrosoftVisualC++6.0环境下创建一个MEX文件，实现计算一个数平方的倒数值。

▪在MicrosoftVisualC++6.0环境创建一个“C++SourceFile”文件，文件名为“Ex0801.cpp”。

▪编写该文件的程序代码如下：

#include"mex.h"

#include"math.h"

/*计算功能子程序Ex0801，计算平方的倒数*/

voidEx0801（doubley[],doublex[]）

{

y[0]=1/（x[0]*x[0]）;

return;

}

/*入口子程序mexFunction*/

voidmexFunction（intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[]）

{

double*x,*y;

unsignedintm,n;

/*检查输入变量的个数是否正确*/

if（nrhs!

=1）

{

mexErrMsgTxt（"Onlyoneinputargumentallowed."）;

}

/*检查输出变量的个数是否正确*/

elseif（nlhs!

=1）{

mexErrMsgTxt（"Onlyoneoutputargumentallowed."）;

}

m=mxGetM（prhs[0]）;

n=mxGetN（prhs[0]）;

/*检查输入变量必须是非复数单个双精度数*/

if（!

mxIsDouble（prhs[0]）||mxIsSparse（prhs[0]）||mxIsComplex（prhs[0]）||

!

（m==1&&n==1））

{

mexErrMsgTxt（"Inputargumentmustbeascalar."）;

}

/*创建矩阵变量为输出变量*/

plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix（m,n,mxREAL）;

y=mxGetPr（plhs[0]）;

x=mxGetPr（prhs[0]）;

/*调用计算功能子程序*/

Ex0801（y,x）;

}

▪在MATLAB命令窗口的当前目录浏览器中将当前目录设置为用户的目录，输入命令创建MEX文件并运行：

mexEx0801.cpp

>>y=Ex0801

（2）

y=

0.2500

扩展名为cpp是C++文件，在其同一文件夹中生成Ex0801.dll文件，运行Ex0801.dll文件的运算结果正确。

▪为该文件添加帮助M文件

为了在MATLAB中可以方便地查看该Ex0801.dll文件的帮助信息，可以建立一个Ex0801.M文件，并输入以下内容：

%functiony=Ex0801（x）

%计算一个数平方的倒数值

%y=1/（x^2）

%copyright@2003-10-10

则在MATLAB命令窗口中，用help命令只能看到M文件来查看帮助信息：

>>helpEx0801

functiony=Ex0801（x）

计算一个数平方的倒数值

y=1/（x^2）

copyright@2003-10-10

8.1.2使用MATLAB编译器生成MEX和EXE文件

1.MEX文件与EXE文件的区别

MEX文件只能在MATLAB环境中运行；而EXE文件是可以独立与MATLAB环境运行的。

2.配置编译器的准备

如果要创建MEX文件，如图8.1所示。

则只需勾选“MATLABCompiler”；如果要创建EXE文件，则需要勾选如图中的三个选项。

3.由M文件创建CMEX文件

利用MATLAB编译器来由M文件创建MEX文件，使用“mcc–x”命令，。

【例8.2】在MATLAB环境中创建一个M函数文件，用来绘制正弦信号波形。

在MATLAB的编辑/调试窗口中创建一个Ex0802.m函数文件，编写程序代码如下：

functionEx0802

%Ex0802绘制正弦信号波形

x=0:

0.1:

2*pi;

y=sin（x）;

plot（x,y）

保存文件，在MATLAB命令窗口中由该M文件创建MEX文件：

>>mcc-xEx0802%创建Ex0802.dll文件

>>Ex0802%运行Ex0802.dll文件

运行该Ex0802.dll文件，绘制出正弦信号波形图。

在该目录下，可以看到在创建dll文件的同时，还创建了Ex0802.c、Ex0802.h和Ex0802_mex.c文件。

注意：

如果上述的Ex0802.m文件删除第一行，变为M脚本文件，则用mcc命令直接编译会出错，并出现如下提示：

>>mcc-xEx0802

?

?

?

Error:

CannotcreateMEXFile"Ex0802"fromMEXFile"C:

\MyDocuments\CAOYi\BookMATLAB\20031008\exe\Ex0802.dll".

Errorin==>D:

\MATLAB6p1\toolbox\compiler\mcc.dll

4.创建独立的外部程序EXE文件

【例8.3】第一次使用mbuild命令由C文件创建EXE文件。

由“matlab\extern\examples\cmath”目录下的现成文件“ex1.c”，创建独立的EXE文件。

先将“matlab\extern\examples\cmath”目录设置为当前目录，然后输入mbuild命令，由于系统中安装了LCC和MicrosoftVisualC/C++两个编译器，则MATLAB会提示用户选择默认的编译器：

>>mbuildex1.c

PleasechooseyourcompilerforbuildingstandaloneMATLABapplications:

Wouldyoulikembuildtolocateinstalledcompilers[y]/n?

y

选择一个默认的编译器

Selectacompiler:

[1]LccCversion2.4inD:

\MATLAB6P1\sys\lcc

[2]MicrosoftVisualC/C++version6.0inD:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio

[0]None

Compiler:

2

……

后面就会出现提示和确认的信息。

如果要改变默认的编译器，则需要使用“mbuild-setup”命令重新选择。

（1）mbuild命令由C文件生成EXE文件

【例8.3续】用mbuild命令由C文件编译生成EXE文件。

使用mbuild命令可以由“ex1.c”文件创建独立的可执行文件：

>>mbuildex1.c

则产生了“ex1.exe”文件，可以脱离MATLAB独立运行，同时在同一目录下还产生了“bin”文件夹。

（2）mcc命令由M文件生成EXE文件

【例8.4】用mcc命令由【例8.2】中的M文件编译生成EXE文件。

>>mcc-BsglcppEx0802.m%创建需要图形库的C++独立应用程序

如果不希望MCC自动调用mbuild，可以添加使用“-c”选项，如命令“mcc-mc”和“mcc-pc”。

8.2低级文件的输入输出

8.2.1打开和关闭文件

1.打开文件

语法：

fid=fopen（filename,permission）%以指定格式打开文件

[fid,message]=fopen（filename,permission）%返回打开文件的信息

说明：

fid为返回的文件指针（FileIdentifier），通常是一个非负的整数，如果返回-1，则表示无法打开文件；message用来显示打开文件的信息，如果无法打开，则显示错误信息；filename为文件名，是字符串，如果文件不在MATLAB的搜索路径中，则需要指定文件路径；permission为指定文件的打开模式，有以下几种模式：

▪'r'：

只读文件

▪'r+'：

读写文件

▪'w'：

删除已存在文件内容或建立新文件，并只写文件

▪'w+'：

删除已存在文件内容或建立新文件，并读写文件

▪'a'：

以只写方式建立并打开一个新文件或打开一个已存在的文件，只能在文件末尾添加内容

▪'a+'：

以读写方式建立并打开一个新文件或打开一个已存在的文件，在文件末尾添加内容

fopen的permission参数在打开文件时还可标明文件格式，如果打开文本格式文件，在后添加字母“t”，如果打开二进制格式文件，则在permission参数后添加字母“b”，如'wb'、'rb+'等。

2.关闭文件

打开文件进行读写操作后，应立即关闭文件，删除文件指针。

语法：

status=fclose（fid）%关闭文件指针所指的文件

status=fclose（'all'）%关闭所有打开的文件

说明：

status为关闭文件指针所指文件的状态，如果成功则返回0，如果失败则返回-1；fid为所打开的文件指针。

【例8.5】打开和关闭一个文本文件。

文本文件“Ex0805.txt”，在MATLAB环境中显示的文件内容如下：

typeEx0805.txt

a123

b456

使用fopen和fclose命令打开和关闭文件：

[fid,message]=fopen（'Ex0805.txt','w+'）%打开文件读写

fid=

3

message=

''

iffid==-1

disp（'无法打开该文件'）

else

disp（'成功打开该文件'）

end

成功打开该文件

status=fclose（fid）%关闭文件

status=

0

8.2.2读写格式化文件

1.fscanf命令

fscanf命令为读格式化文件数据。

语法：

[a,count]=fscanf（fid,format,size）%读取格式化数据

说明：

fid为文件指针，所指为需要读取的格式化文件；format指定读取数据格式，指定的格式必须和文件中的数据格式相同，否则读取的数据可能会出现错误，以“%”开头，有%c、%d、%e、%f、%g、%i、%o、%s、%u、%x等（与C语言相同）；count为成功读取的数据元素个数，可省略；a返回读取的数据；size为需要读取的数据个数，如果省略，则读到文件末尾，size的取值可以有：

▪n：

读n个数据到一个列向量

▪inf：

读到文件末尾，数据放到一个列向量

▪[m,n]：

读出的数据个数为m×n，数据放到矩阵中，读出的数据按列的顺序填充矩阵，不够的数据用0填补。

【例8.5续】读取Ex0805.txt文件的前四个字符。

fid=fopen（'Ex0805.txt'）

fid=

3

a1=fscanf（fid,'%s',4）%以字符串格式读取四个数据

a1=

a123

fclose（fid）

ans=

0

2.fprintf命令

fprintf命令为写格式化数据。

语法：

count=fprintf（fid,format,a,…）%写入格式化数据

说明：

fid为文件指针，所指为二进制文件；a为矩阵数据，将a写到fid指向的文件；format为写入的格式，除了包含fscanf命令的数据格式之外，还有%E、%G、%X，并具有对齐格式-（左对齐）、+（右对齐）、0（补齐位数），还有转义字符；count为成功写入数据的个数。

【例8.6】使用Ex0805.txt文件进行读取和写入数据。

a='%Thisisaexample.';

fid=fopen（'Ex0805.txt','a+'）%打开Ex0803.txt文件在末尾添加

fid=

3

fprintf（fid,'%s',a）%写入a到文件末尾

ans=

19

fclose（fid）%关闭文件

ans=

0

fid=fopen（'Ex0805.txt','r'）%打开Ex0803.txt文件只读

fid=

3

fscanf（fid,'%s'）%读取文件所有内容

ans=

a123b456%Thisisaexample.%Thisisaexample.%Thisisaexample.%Thisisaexample.

fclose（fid）

ans=

0

程序分析：

在向文件中写入数据后，先关闭文件，然后再打开文件则从文件开头读取数据，如果写完数据后直接读取数据，则实际读取数据的位置将从写入的最后一个数据之后开始。

3.fgetl和fgets命令

fgetl和fgets命令都是用来读取文件的下一行，两者的差别是fgetl会舍去换行符，而fgets则保留换行符。

语法：

tline=fgetl（fid）%读取文件的下一行，不包括换行符

tline=fgets（fid）%读取文件的下一行，包括换行符

tline=fgets（fid,nchar）%限制读取文件字符个数

说明：

fid为文件指针；tline为以字符串形式的返回值，如果到文件末尾则返回-1；nchar为最多返回的字符个数。

【例8.6续】以行的形式读取Ex0805.txt文件。

fid=fopen（'Ex0805.txt','r'）;%打开Ex0803.txt文件只读

fgetl（fid）%读取第一行数据

ans=

a123

fgets（fid）%读取第二行数据

ans=

b456

fgets（fid,10）%读取第三行数据，限制10个字符

ans=

%Thisisa

fgets（fid,10）

ans=

example.%

8.2.3读写二进制数据

fread命令为读二进制数据。

语法：

[a,count]=fread（fid,size,precision,skip）%读取二进制数据

说明：

fid为文件指针；size与fscanf命令含义相同；precision为一个字符串，用来指定读取数据的精度，即数据类型，有'uchar'、'schar'、'int8'、'int16'、'int32'、'int64'、'unit8'、'unit16'、'unit32'、'unit64'、'single'、'float32'、'double'、'float64'等，可省略；a为矩阵数据；count为成功读取的数据元素个数，可省略；skip为每读取一个数据后跳过的字节数，可省略。

2.写数据

fwrite命令为写二进制数据。

语法：

count=fwrite（fid,a,precision,skip）%写二进制数据

说明：

fid为文件指针；a为矩阵数据；precision和skip参数含义与fread命令相同；count为成功写入数据的个数。

【例8.7】写入数据到MAT文件中，并读取数据。

x1=1:

10;

[fid,message]=fopen（'Ex0805.mat','a'）%打开文件添加数据

fid=

4

message=

''

count1=fwrite（fid,x1）%写入数据

count1=

10

x2=11:

15;

count2=fwrite（fid,x2）%添加数据

count2=

5

status=fclose（fid）;

fid=fopen（'Ex0805.mat','r'）;%打开文件只读

a1=fread（fid,[2,5]）%读取数据

a1=

13579

246810

a2=fread（fid,[1,5]）

a2=

12345

fclose（fid）;

8.2.4文件定位

1.fsee