多线程VC＋＋和Matlab混编在信号采集和处理中的应用

摘  要：在信号采集和处理过程中，Visual C＋＋存在数据处理和结果显示方面的不足，Matlab存在可视化和数据采集方面的不足，本文在Visual C＋＋环境下调用Matlab Engine函数，有效地解决了这两方面的问题；采用多线程编程技术，同时采集和显示信号，有效地防止了采样过程中的掉点。利用本方法对UA302型采集卡采集到的信号进行处理，得到了满意的结果。

0引言

Visual C＋＋自诞生以来，一直是Windows环境下最主要的应用开发系统，利用Visual C++开发系统可以完成各种应用程序的开发，从底层软件直到上层直接面向用户的软件都可以用Visual C＋＋来开发，而且Visual C＋＋强大的调试功能也为大型复杂软件的开发提供了有效的排错手段^[1]，但是其数值计算能力和二、三维图形显示方面却不理想。Matlab是由MathWorks公司于1984年推出的一套数值计算软件，其功能十分强大，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能^[2]。但是，Matlab在实现人机对话、数据的传输方面却不是很方便，将两者结合起

来，取长补短，发挥两种语言的优势，是开发人员研究的一个方向。

1 VC与Matlab混合编程的方法：

Visual C＋＋和Matlab混合编程有多种方法^[3-7]，其中最主要的有以下三种方法：

1.1 在VC＋＋中利用Matlab Engine函数

Matlab Engine函数库是MathWorks公司提供的一组函数库，它提供了一种在用户程序进程中与独立的Matlab进程通讯的方法，它包括了和Matlab进行交互所必需的全部功能，用户不用去关心Matlab Engine是如何实现的，只需利用这些函数，开发者就可以方便的操纵Matlab完成所需的功能。具体应用中往往在Visual C＋＋中设计程序框架，以编译的程序作为前端客户机，通过调用Matlab Engine在后台与Matlab服务器建立连接，实现动态通讯。

1.2  利用Matlab丰富的数学函数库

Matlab中包含内容丰富的数学库函数，同时它还提供了C语言和C＋＋语言的数学函数接口，从Matab5.1版本开始，MathWorks公司推出了一系列的Matlab自带编译器来解决Matlab与C＋＋接口问题，LCC编译器可以将Matlab的C/C++数学库编译成VC＋＋能识别的代码嵌入VC＋＋环境，用户可以方便的在VC＋＋的IDE（集成开发环境）中调用这些代码。

1.3 利用Matcom

Matcom是MathTools公司推出的一个能将M文件转化成相同功能C＋＋代码的工具，是为Matlab中的M文件进行高效解释和调试的集成开发环境，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文件。

本文采用的是第一种方法，利用VC++强大的可视化功能编辑应用程序对话框，方便对采集卡的控制，采集数据，在VC＋＋环境中调用Matlab Engine函数，对采集到的数据进行处理，并显示处理后的图形。

2 本文所用采集卡简介^[8]：

本文采用UA302型USB采集卡，这种采集卡具有16bit的分辨率，满量程时精度优于0.02％，最高采样频率可达100KHz，输入通道为16或32模入通道，可以采用定时器触发和软件触发两种触发方式。UA302采集卡可以使用各种Windows编程工具编程，专用的动态链接库UA300.DLL提供了简洁高效的采集和控制函数，支持UA302采集卡的各种功能，用户可简单方便的调用这些函数完成各种采集工作。本文要用到的采集卡函数：

OpenUA300 打开UA302设备

CloseUA300 关闭UA302设备

minit 单或多通道多点采集初始化（第一种方式）

readdata 单或多通道多点采集（第一种方式）

3 混合编程实例：

3.1 用VC＋＋6.0编写如图1所示的基于对话框的应用程序界面

对话框上的Button控件用来控制采集卡采集信号并对其进行处理，以灰色显示的按钮在程序运行时不可用，Picture控件用来显示采集到的信号。

图1 应用程序界面

3.2本文用到的MatlabEngine函数：

engopen 打开Matlab引擎

engcolse关闭Matlab引擎

mxCreateDoubleMatrix创建双精度数据类型的Matlab矩阵

engPutVariable向Matlab引擎传输一个矩阵

engOutputBuffer创建字符缓冲区以获取Matlab的文本输出

engEvalString执行Matlab命令

3.3程序的具体实现：

本程序使用了多线程编程技术，除了主线程外采用了两个辅线程，一个用来采集信号数据，另一个用来显示采集到的信号。

采集数据线程程序：

UINT AdoptDataThreadProc(LPVOID pParam)//采集数据线程函数，该线程不能停否则会有漏点

{    

       //初始化端口,用于单次采样

       minit(husb,0,1,1);

       readdata(husb,singleaddata,6000000/SampFrequency,1024);

       return 1;

}

绘制波形线程程序：

UINT  DrawThreadProc(LPVOID pParam) //该线程负责绘制波形

{

       do

       {    

              CDC *pDC=pWnd->GetWindowDC();

              CBitmap *m_pBitmap;

              CDC *m_pdcmem;

              m_pdcmem=new CDC;

              m_pBitmap=new CBitmap;

              m_pdcmem->CreateCompatibleDC(pDC);

       m_pBitmap->CreateCompatibleBitmap(pDC,rect1.right,rect1.bottom);

              CBitmap* poldbitmap=m_pdcmem->SelectObject(m_pBitmap);

       NCCDraw(m_pdcmem,1);

       Sleep(100);

       pDC->BitBlt(0,0,rect1.Width(),rect1.Height(),m_pdcmem,0,0,SRCCOPY);          m_pdcmem->SelectObject(poldbitmap);

              Sleep(1);//可有可无

              delete m_pBitmap;

              delete m_pdcmem;

              pWnd->ReleaseDC(pDC);   

       }while(1);

       return 1;

}

这两个线程在单击“采集”按钮时被启用，程序如下：

void CVcMatlabDlg::OnBtnAdoptData() //首先打开断端口，然后再开线程用来采集

{

       husb=OpenUA300();

       AdoptDataThread=AfxBeginThread(AdoptDataThreadProc,0,THREAD_PRIORITY_NORMAL);             DrawThread=AfxBeginThread(DrawThreadProc,0,THREAD_PRIORITY_NORMAL);

       GetDlgItem(IDC_BTN_ADOPT)->EnableWindow(FALSE);

       GetDlgItem(IDC_BTN_STOP)->EnableWindow(TRUE);

}

用上面的程序采集频率为1000Hz的正弦信号后的图形如图2：

采集到的数据在单击“FFT”按钮时被处理，Matlab Engine就是在这个函数里被调用的，程序如下：

图2   采集到的正弦信号

void CVcMatlabDlg::OnBtnFft()

{

       // TODO: Add your control notification handler CODe here

       Engine *ep;

    mxArray *X=NULL;

       mxArray *Num=NULL;

       mxArray *Frequency=NULL;

    char buffer[1024];

       if (!(ep=engOpen("")))

       //打开Matlab引擎，建立与本地Matlab的连接

       {

              AfxMessageBox("Can't start MATLAB engine!");

              exit(-1);

       }

       //参与matlab运算的参数都是矩阵形式，因而要将参数转换为Matlab可接收的矩阵形式

    X=mxCreateDoubleMatrix(1,1024,mxREAL);

       Num=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);

       Frequency=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);

    double var1=(double)SampNum;//强制转换SamNum和SampFrequency从short到double

    double var2=(double)SampFrequency;

       memcpy((double*)mxGetPr(Num),(double*)&var1,sizeof(double));

       memcpy((double*)mxGetPr(Frequency),(double*)&var2,sizeof(double));     

    double var3[1024];   

       for (int i=0;i<1024;i++)

       {

       var3[i]=(double)(singleaddata[i]/1);

       }                                                                                     memcpy((char*)mxGetPr(X),(char*)var3,1024*sizeof(double));

       //将转换的参数放入引擎中，可在Matlab commond窗口下察看参数值

       engPutVariable(ep, "X", X);

       engPutVariable(ep, "Num",Num);

       engPutVariable(ep, "Frequency", Frequency);           

       //下面开始执行MATLAB命令

       engEvalString(ep,"pxx=fft(X,Num);");//engEvalString()函数是在vc中执行matlab函数

       engOutputBuffer(ep,buffer,1024);

       engEvalString(ep,"ff1=-Frequency/2:1/Num*Frequency:Frequency/2-Frequency/Num;");

       engEvalString(ep,"subplot(2,1,1);");

       engEvalString(ep,"plot(ff1,fftshift(abs(pxx)));");

       engEvalString(ep,"title('信号频谱图')");

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

       engEvalString(ep,"ylabel('幅值谱')");

       engEvalString(ep,"p=pxx.*conj(pxx)/1024");

       engEvalString(ep,"ff2=Frequency*(0:511)/1024;");

       engEvalString(ep,"subplot(2,1,2);");

    engEvalString(ep,"plot(ff2,p(1:512));");//利用引擎画图

       engEvalString(ep,"title('信号功率谱图')");

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

       engEvalString(ep,"ylabel('功率谱密度')");

       mxDestroyArray(X);//释放内存

    mxDestroyArray(Num);

       mxDestroyArray(Frequency);

engClose(ep);//关闭引擎，图片随之关闭

       GetDlgItem(IDC_BTN_FFT)->EnableWindow(FALSE);

}

编译运行程序后，对图2所示的正弦信号进行处理，得到的图形如图3：

图3 分析后的频域波形

4 结束语

在Visual C ++中利用多线程编程可以同时采集和显示采集卡采集到的信号，防止采集过程中的掉点；调用Matlab Engine函数可以发挥两者的优势，利用Visual C＋＋强大可视化功能，方便的对采集卡进行控制，利用Matlab Engine强大的数据处理能力，对采集到的数据进行数字信号处理，并可以方便的显示处理后的结果。

参考文献：

[1]David J.Kruglinski著.潘爱民，王国印译. Visual C＋＋技术内幕[M]. 北京：清华大学出版社，1998

[2]董长虹主编. Matlab信号处理及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2005.1

[3] 何晓涛，于春田. VC调用Matlab的方法[J].河北科技大学学报，2003，24（1）：35－39

[4] 王安红，孙志毅. 一种VC＋＋与Matlab混合编程的实现方法[J]. 计算机应用与软件 ，2003，20（6）：12－13，77

[5]高崇明. VC＋＋6.0与Matlab混合编程技术的原理与实现[J]. 无线电工程，2000，30（2）：53－56

[6]肖永韧. VC与Matlab混合编程之DLL实现方法[J]. 计算机工程与应用，2001（13）：174－176

[7]4亓波. 实现VC＋＋6.0与Matlab的混合编程[J]. 电脑编程技巧与维护，2000（12）：62－64

[8] UA302/H型A/D采集器使用说明

基金项目：重庆市重点科技项目（合同号：9293）

作者简介：李宁， 男，1980年生，重庆大学机械工程学院博士研究生，研究方向：智能测试及虚拟仪器技术