MATLAB与C读书笔记_matlab与c读书笔记
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基于C进行dSPACE仿真的技术路线
dSPACE关联于MATLAB的Simulink，由Simulink提供计算模块，dSPACE提供Realtime Interface(RTI)的形式模块化输入输出端口。MATLAB基于Simulink的Realtime Workshop编译生成目标机器可执行代码，并下载到dSPACE中执行。
C与MATLAB联系密切，MATLAB提供了多种利用C实现高效、快速运算编程的方法，并能实现针对不同平台的可执行代码生成和优化。不断升级完善的Realtime Workshop以及Realtime Workshop Embedded Coder保证了C代码可以稍作修改即直接载入处理器执行运算，并且得到了DO178B、IEC61508认证，在航空航天和国防领域有广泛应用。配合Simulink的Model Advisor检查模型代码，使模型易于改进。MATLAB提供的Model Reference可以将模块独立处理，采用增进式代码修改，适合于大型系统的模块化设计。
本文需要探讨的问题是如何利用大量已有的C文件进行dSPACE仿真。因此，将首先介绍MATLAB中与C有关的External Interfaces和S-Function，然后再根据这些介绍寻找较为简捷的实现方案。
1、External Interfaces
提供MATLAB与外部程序和设备进行输入输出通讯的接口。
1)Mat文件
MATLAB的数据文件即Mat文件，它可以实现数据在平台之间的转移或外部程序与MATLAB的数据传递。MATLAB提供了一些前缀为mat的函数，可以在C中直接调用。通过专用的API编译，Window环境下为matlabroot bin win32 mexopts *engmatopts.bat，编译在cmd窗口执行。
2)共享库(Shared Libraries)
Windows环境下共享库是动态链接文件，后缀为.dll，用C等编写，在MATLAB中调用。利用loadlibrary()和unloadlibrary分别完成动态链接文件的装载和卸载，装载完成后可以使用calllib()函数在MATLAB中调用动态库中函数。
3)Mex文件
Mex是MATALAB Eexcutable的缩写，类似于共享库，Mex文件可以在MATLAB命令行中直接调用。Mex主要应用于
A、直接使用已经编写的C程序，而不需重新编写m文件；
B、对运算性能要求较高的应用场合。
MATLAB有四种Mex文件：
1、源Mex文件，用C书写的代码；
2、二进制Mex文件，MATLAB中执行的动态链接进程；
3、Mex函数库，即能够在MATLAB中使用的API库；
4、Mex编译脚本，将源Mex文件转换成二进制Mex文件的MATLAB函数。
源Mex文件中，需要将原C文件中的main改写成需要使用的函数名，源Mex文件一般包括三个部分：gateway进程、计算进程和处理器宏。计算进程即编写的计算函数，其后，要按规定格式编写用于建立gateway进程的mxfunction，主要是变量传递和解释，需调用mex.h文件。编译采用mex functionname.c的命令形式，编译后的函数可以像众多MATLAB内建函数一样直接调用。
2、MATLAB S-Function
在MATLAB中可以用m文件、C、C++、Ada和Fortran等编写Simulink模块，其中C、C++、Ada和Fortran编写的S-Function以Mex文件的形式进行编译。
以m文件编写的S-Function有Level1和Level2之分，其中Level2可以调用更加丰富的S-Function的API资源，并且支持代码生成(手动书写，适合于dSPACE与RTI)。
以C Mex形式编写的S-Function具有最大的灵活性和功能性，支持面向应用对象编译(Target Language Compiler TLC)的代码生成，该代码自动生成，不需要手动添加编译文件，可以将算法写成C Mex的形式，也可以构建一个wrapper S-Function去调用C/C++/Fortran代码。MATLAB提供了编写C Mex S-Function的模板文件sfuntmpl_doc.c和用户界面S-Function Builder。
MATALB还提供一个Legacy Code Tool(继承代码工具？)用于创建能够调用C和C++的S-Function，同样支持TLC，但能够利用的API有限，适用于仅计算输出而不计算状态的Legacy Code。
需要注意的是，C Mex S-Function不支持总线输入输出，对模型参考也不完全支持；S-Function Builder则不支持总线输入输出、向量、多速率采样、输入输出数量变化等。除上述以代码区分S-Function类型外，S-Function也可以分为Noninlined和Wrapper and Fully Inlined两种。前者即C Mex S-Function，dSPACE提供的应用说明Implementation Guide主要是针对C Mex S-Function。后者是基于TLC代码生成，多个文件相互独立。
1)使用已有的C文件构建S-Function
对已经存在的C程序文件，在Simulink中有3种方法：
A、Wrapper S-Function。
手写C S-Function和TLC文件，要求对S-Function的深入了解。
在Wrapper函数同一般的S-Function一样，主要有mdlInitializeSizes()、mdlInitializeSampleTimes()、mdlOutputs()、mdlTerminate()等方法，其中在mdlOutputs()方法中调用已经编写好的C程序，该C程序按照标准C书写。
完成Wrapper函数的编写后，在MATLAB命令窗口运行mex命令编译即可。
此外还需要编写TLC文件才能生成RTW代码，TLC文件基于m编写，基本的函数有BlockTypeSetup和Outputs。Wrapper和TLC文件都可以参考MATLAB提供的模板进行编辑。
B、S-Function Builder。
通过GUI界面编辑，自动生成S-Function和TLC文件，不强调对S-Function的熟练掌握。需要创建声明已有C文件的库函数，并在Builder面板的Libraries中指定对应的C文件和需引用的库文件。此外需要调整初始化、输入和输出等一些参数。完成配置后，点击Build按钮即生成S-Function、Wrapper和TLC三个文件。
C、the Legacy Code Tool。
通过命令在MATLAB Workspace中定义S-Function，无需掌握S-Function的知识。其基本命令如下：
def = legacy_code('initialize');
def.SourceFiles = {'doubleIt.c'};//源C文件
def.HeaderFiles = {'doubleIt.h'};//库文件
def.SFunctionName = 'legacy_wrapsfcn';//S-Function名称 def.OutputFcnSpec = 'double y1 = doubleIt(double u1)';def.SampleTime = [-1,0];
legacy_code('sfcn_cmex_generate', def);
legacy_code('compile', def);
legacy_code('sfcn_tlc_generate', def);
通过the Legacy Code Tool与通过S-Function Builder生成的S-Function不同：Builder生成的结果中，已有的C文件被wrapper函数调用，而Legacy Code Tool则直接调用已有的C文件；通过Builder面板可以定义S-Function的输入输出变量名称，而Legacy Code Tool中仅取默认的y和u。
2)使用C编写S-Function
S-Function的基本结构是：
#define//函数名
#include//函数头
mdl*()//调用API方法
#ifdef…endif//尾部声明
S-Function的API方法均已mdl开头，如mdlInitializeSizes()。编写好的S-Function使用mex命令进行编译。
3、结论
综合上述介绍，比较简单的使用已有C文件进行dSPACE仿真的技术路线有以下3种：
1).C文件→Mex编译脚本mexfunction→二进制Mex文件(.mexw32)→Simulink S-Function模块。
2).C文件→the Legacy Code Tool→C S-Function和TLC文件→.mexw32文件→Simulink S-Function模块。
3).C文件→S-Function Builder→.mexw32文件→Simulink S-Function模块。
其中，the Legacy Code Tool允许Simulink直接调用C代码，比C S-Function易用。当然，C S-Function更加灵活，功能更加丰富。
对于只计算输出的函数，可以直接利用the Legacy Code Tool。而对于需要计算微分方程的函数，则不能简单的直接利用原有的C文件，需要考虑是单独编译微分方程数值计算方法，还是使用MATLAB自身的ODE方法。
需要注意的是，dSPACE不支持M/C++/Fortran/Ada编写的S-Function，因此已有的C文件必须用C编写。
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