Matlab - 经VS将.m文件转换为.dll文件

引言

在使用 LabVIEW 进行软件开发的过程中，有时需要使用 Matlab 强大的数据处理功能，以提高开发效率，此时可以通过 Matlab Coder 将 Matlab 中的函数转换为 C/C++ 源文件，然后通过 Visual Studio 将这些源文件封装为 .dll 文件，最后通过 LabVIEW 调用库函数实现对 Matlab 函数的调用。

本文将通过一个实例讲述以上功能的实现过程，大体步骤如下：

1. Matlab 编写代码
   1.1 编写 .m 函数
   1.2 使用 Coder 生成 C/C++ 文件
2. Visual Studio 生成 .dll 文件
3. LabVIEW 调用 .dll文件

软件版本说明：

1. Matlab 2016a (64bit)
2. LabVIEW 2015 (64bit)
3. Visual Studio 2015 (64bit)

通过 Matlab 生成 C/C++ 源文件

.m 函数编码

在 Matlab 文件目录中新建文件夹"CreateDll"，在该文件夹下新建两个函数文件，分别实现简单加法运算函数，以及一个用自相关求解周期信号频率的函数。

add(a, b)

function [ answer ] = add( a,b )
% 加法运算
% a,b 均为 double 型数据

answer = a + b;

end

getFreq( signal, fs )

function [ frequency ] = getFreq( signal,fs )
%GETFREQ 自相关法求周期信号频率
% [input]
% signal    : double 1*n
% fs        : double 1*1
% [output]
% frequency : double  1*1

y_xcorr = xcorr(signal,'coeff');            % 信号自相关
[~,locs] = findpeaks(y_xcorr);              % 获取峰值位置
middlePosition = fix(length(locs)/2);       % 计算处于中部的峰值位置
frequency = fs/(locs(middlePosition)-locs(middlePosition-1)); % 计算信号频率

end

使用 Coder 生成 C/C++ 文件

• 1.在命令行中输入 coder 打开 Matlab Coder 工具。

>> coder

• 2.添加 add 函数及 getFreq 函数

• 3.定义函数输入参数的数据类型（两种定义方式）

1. 手动修改输入参数的数据类型
2. 输入函数调用示例，通过 Coder 工具的自定义输入功能自动匹配输入参数类型

调用示例：

>> add(3,4);

手动可选择的数据类型如下图所示：

• 4.设定数据长度

1. 对于大部分变量，数据长度为 1×1
2. 对于一维向量、数组
3. 1 固定长度的变量：直接设定具体值（如：一个星期每天的工作时间，可设为 1×7）
4. 2 不定长度但有上限的变量：设定 1×:100 （假定上限值为 100）
5. 3 不定长度上限不定的变量：设定 1×:inf （inf代表无限）
6. 二维数组设定规则与一维数组类似

• 5.Check for Run-Time Issues

这一步可以跳过，这是用来生成试用代码以及用于 Matlab 的 MEX 文件。

• 6.Generate Code

选择 C++ 语言，通过 " More Settings " 修改代码生成相关的配置选项,最后点击 " Generate " 按钮生成源代码。

选择语言<

配置选项<

生成代码<

在代码生成界面可以看到以下内容：

1. Source Code : Matlab 中创建的函数源代码
2. Output Files : Coder 工具生成得到的 .h 头文件和 .cpp 源文件
3. Build Log : 用于查看代码生成报告
4. Variables : 选中 Matlab 文件时显示函数的输入输出数据类型和大小

• 7.Finsh Workflow

完成工作流程<

查看代码<

可以看出，最终生成的文件较多，代码量较大，这可以归结为以下几个原因：

1. 重新实现fft等复杂算法
2. 考虑各种异常情况的处理
3. 考虑不定长数组或向量的内存分配问题
4. 考虑无限值 inf 和 无效值 NaN
5. 不同编程语言间数据类型的转换

当然，我们可以在代码生成前根据需求进行相关设置，以避免不必要文件的产生，此处不予详述。

最后将生成的所有 .h/.cpp 文件复制到剪切板中以备后用。至此，Matlab 部分的工作已经全部完成。

通过 Visual Studio 生成 .dll 文件

在 VS 中要做的就是将 Matlab Coder 生成的 C++ 文件封装为 dll 文件，以供 LabVIEW 程序调用。

创建 win32 项目

在win32应用程序向导中选择 DLL，并勾选 空项目 ，然后点击完成。

添加文件

将从 Matlab 中复制的 C++ 文件粘贴到 CreateDll 项目的本地文件中，然后在项目中添加这些文件。

新建模块定义文件

在 VS 中新建 .def 模块定义文件，输入以下代码

LIBRARY CreateDll

EXPORTS

add
getFreq

LIBRARY 后面添加库名称，EXPORTS 后面添加需要导出的函数名称。

编辑完成后，可以在 "项目属性>>链接器>>输入>>模块定义文件" 中看到，项目已将该选项自动添加为了当前 .def 文件，对于低版本的 VS 可能需要手动添加。

生成 .dll 文件

最后一步，选中项目名称，点击右键选择 "生成" ，从本地项目目录的 Debug 文件夹中可以找到已生成的 .dll 文件。

值得注意的是：

1. 选择 Debug 模式为 x64 时生成 64 位 dll 文件，文件存于 .\x64\Debug\Create.dll
2. 选择 Debug 模式为 x86 时生成 32 位 dll 文件，文件存于 .\Debug\Create.dll

对于不同位数的 LabVIEW 程序，我们可以选择对应的 Debug 模式，这个功能真的是非常棒！

函数接口

经 VS 生成的 API 函数接口说明如下：

add

double add(double a, double b);

getFreq

double getFreq(const double b_signal[1000], double fs);

因为例程所用数据为定长数组（1×1000），所以输入参数的数据类型为基本的 double 型。倘若定义的 b_signal 为不定长数组 （1×:inf） ,其格式将变为：

double getFreq(const emxArray_real_T *b_signal, double fs);

这是因为程序需要为不确定长度的数组动态分配内存，所以有效数据与其描述信息将被封装到结构体中，该结构体为 "emxArray_real_T"

struct emxArray_real_T
{
  double *data;
  int *size;
  int allocatedSize;
  int numDimensions;
  boolean_T canFreeData;
};

结构体中的 "boolean_T" 定义如下

typedef unsigned char boolean_T;

由于不定长数据会导致大量冗余代码，并且在 LabVIEW 中调用时非常麻烦，除非必须，否则不建议使用，本文后续所述也是定长数组。

通过 LabVIEW 调用 .dll文件

通过 VS，我们已经得到了想要的 .dll 文件，那么在 LabVIEW 中该如何调用呢？这里提供两种方法。

1. 通过调用库函数节点（Call Library Function Node）
2. 通过 LabVIEW 导入工具（Tools->Import->Shared Library(.dll)...）

两种方法的原理一致，以第一种方法为例进行讲解。

Call Library Function Node

在 LabVIEW 函数面板搜索 "Call Library" ，中文版可直接搜索 dll。将调用库函数节点放入程序框图中。

调用 add 函数

• 选择 CreateDll.dll 文件

• 配置 add 函数接口

• 函数调用示例

调用 getFreq 函数

• 配置 getFreq 函数接口

• 函数调用示例

先产生一个数据长度为 1000 ，频率可调的正弦信号，采样频率 1kHz；然后调用 .dll文件中的 getFreq 函数，通过自相关方法求取信号频率，并输出到变量 getFreq 中。

不定长数组问题

这里对不定长数组问题进行简单介绍：.dll 文件中的函数将不再是简单的 double 指针，而是一个结构体指针；在 LabVIEW 中调用时，可以创建自定义控件，用簇代替该结构体，簇的引用作为结构体指针；簇的内容包括以下几部分。

double *pData : 一维数组引用，用于传递信号数据
int    *pSize : 一维数组引用，用于传递数据长度
int allocatedSize : 分配内存大小，调用时可设为 0
int numDimensions : 数组维数，设为 1 或 2
unsigned char canFreeData : 布尔变量，确定能否释放数据内存

小结

本文对 "Matlab Coder 生成 C++ 代码"，"VS 生成 .dll 文件"，"LabVIEW 调用外部库函数" 这三部分内容进行讲述。通过Matlab , VS , LabVIEW 的结合使用，我们便可实现 LabVIEW 程序调用 Matlab 函数的目的。

此外，在 64 位的 VS 中可以通过修改 Debug 模式生成 32 位或 64 位的动态链接库，以适配不同版本的 LabVIEW。当然最后不要忘了，不同编译模式下生成的 .dll 文件存放在不同的目录下。