摘要：在Qt雷達仿真系統中，數據處理及圖形顯示尤為重要。本文為此提出了一種Qt與MATLAB混合編程的方法。通過VC++和MATLAB混合編程技術，將MATLAB函數封裝成動態鏈接庫，Qt調用這個動態鏈接庫實現圖形處理功能，從而改善Qt界面中雷達信號仿真問題。

引言

　　Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它包括跨平臺類庫、集成開發工具和跨平臺IDE^[1]。由于強大的跨平臺特性，使用Qt只需一次性開發應用程序，無須重新編寫源代碼，便可跨桌面和嵌入式操作系統運行。在圖形處理方面，Qt提供了用于2D繪圖的QPainter繪圖類和第三方繪圖庫Qwt，可以繪制簡單的圖形，但其過程復雜、設置繁瑣，且操作過程不易實現。

　　MATLAB作為一種高性能的數值計算和可視化軟件，它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體, 構成了一個方便、界面友好的用戶環境。相比Qt而言，MATLAB有非常強大的圖形化顯示矩陣和數組的能力，用MATLAB生成的圖形可輕松實現添加文字說明、標注坐標軸、曲線注釋等多種功能，而這些若由Qt來實現則較為復雜。針對Qt的繪圖缺點，提出了Qt與MATLAB混合編程技術，主要包括兩種方法：Qt調用MATLAB的引擎和Qt調用MATLAB生成的動態鏈接庫。Qt調用MATLAB引擎加入大量MATLAB庫，功能十分強大，但其編程量巨大，運行效率較低，不利于開發使用。而使用MATLAB生成的動態鏈接庫使程序可以脫離MATLAB環境獨立運行，節省程序所占用的內存資源，提高了程序的執行效率。當然，由于MATLAB7.0前后不同版本編譯器的不同特點，混合編程方法也會有所不同。下面本文將詳細介紹如何將MATLAB函數轉換為Qt可用的DLL的方法，并應用到Qt雷達仿真系統工程中。

1 Qt圖像顯示窗口

1.1 顯示窗口

　　Qt可以使系統獲得高效的工作性能，是因為它擁有一個重要機制——信號和槽機制^[2]。信號和槽用于兩個對象之間的通信，信號和槽機制是Qt的核心特征，也是Qt不同于其他開發框架最突出的特征。QWidget類是所有用戶界面對象的基類，是Qt中建立用戶界面的主要元素。在雷達仿真系統中，將圖形顯示模塊作為一個封裝的窗口組件嵌入到系統中，窗口組件主要以窗口部件QWidget為基類，嵌入MATLAB的Figure窗口[3]，使用信號和槽等實現數據處理和圖形繪制。

1.2 繪圖需求

　　隨著雷達技術的不斷發展，雷達系統的復雜度與日俱增，雷達系統的設計越來越多地借助仿真來提高工作效率。一套完整的Qt雷達仿真系統必不可少的就是圖形顯示，用于直觀地觀測雷達各個模塊的波形及運動軌跡。Qt提供了2D繪圖系統^[2]，可以使用API在屏幕和繪圖設備上進行繪制，主要基于QPainter、QPaintDevice和QPaintEngine這3個類，其中QPainter用來執行繪圖操作，QPaintDevice提供繪圖設備，QPaintEngine提供了一些接口。同時，Qt的第三方繪圖庫QWT可生成各種統計圖，它的目標是以基于2D方式的窗體部件來顯示數據。然而這兩種繪圖方法的編程過程比較復雜，尤其在處理大量數據和三維圖形顯示時更是難以實現。MATLAB有強大的圖形化顯示矩陣和數組的能力，同時也能給圖形增加注釋并且打印這些圖形。它既包括一些方便地產生二維、三維技術專業圖形的高級繪圖函數，也包括一些可以使用戶靈活控制圖形特點的低級繪圖命令。另外，用戶還可以利用MATLAB的句柄圖形技術創建圖形用戶界面^[4]。這種語言可移植性好、可拓展性極強，所以采用Qt與MATLAB混合編程的方法，才能實現強大的圖形處理功能。圖1為雷達目標檢測仿真結果圖。

2 Qt調用動態鏈接庫

2.1 Qt調用動態鏈接庫流程

　　Qt調用動態鏈接庫主要有兩種選擇方案，一種是利用VC++調用MATLAB生成的獨立可執行的C++函數文件創建集成的繪圖動態鏈接庫，Qt窗口組件來調用它;另一種是Qt直接調用MATLAB生成的獨立可執行的C++函數文件創建集成的繪圖動態鏈接庫，然后Qt窗口組件使用這個動態鏈接庫文件。由于VC++與MATLAB混合編程技術相對比較成熟，并得到廣泛應用，所以我們選用第一種方案。圖2展示了在Qt中調用動態鏈接庫的步驟。

2.2 VC++動態鏈接庫嵌入到Qt中

　　Qt窗口組件調用VC++動態鏈接庫，實現繪圖和圖形顯示功能，在工程目錄中添加上述dllMATLAB.h、dllMATLAB.dll和dllMATLAB.lib文件。在工程的管理文件.pro中加載需要連接的動態鏈接庫，添加代碼“LIBS+= -L ./ -ldllMATLAB”。在頭文件中添加動態鏈接庫提供的頭文件的“dllMATLAB.h”。這樣我們就可以調用MATLAB函數庫中的繪圖相關函數，對數據進行圖形處理了。

　　但是調用顯示的Figure窗口卻是單獨顯示的，與Qt中窗口組件不一致，為使界面風格統一，用戶界面美觀，我們需要將MATLAB的Figure窗口嵌入到Qt窗口組件中。這種方法的基本思路是去除MATLAB 的Figure窗口的標題欄及邊框，然后把它移動到Qt窗口組件中，同時設定Qt窗口組件為父窗口。具體由以下代碼實現。獲取MATLAB 的Figure窗口句柄：

　　HWND hfigure =FindWindow(NULL,str.toStdWString().c_str());

　　獲得Qt窗口組件的句柄：

　　HWND centralWidget = (HWND)(this->winId());

　　設定Qt窗口組件為Figure窗體的父窗體：

　　if(NULL==::SetParent(hfigure, centralWidget))

2.3 創建VC++動態鏈接庫

　　要想在Qt中調用MATLAB的各種繪圖函數，滿足工程需要，使用動態鏈接庫無疑是最好的選擇。

　　動態鏈接庫[6]是Windows操作系統中實現共享函數庫概念的一種方式，使進程可以調用不屬于其可執行代碼的函數。DLL可以采用多種編程語言來編寫。例如，可以利用Qt來編寫程序界面，然后調用VC++編寫的完成繪圖功能的DLL。動態鏈接庫有助于共享數據和資源，簡化項目管理，節省磁盤空間和內存，更易于升級。

2.4 MATLAB數據類型與VC++數據類型相互轉化

　　我們知道在MATLAB當中運算都是基于矩陣的，因此，在VC++中調用MATLAB函數時，無論函數的返回值、參數必須是矩陣類型(mwArray)[7]，而在C++當中的二維數組可以看成一個矩陣，在VC++當中可以用下面的函數將數組轉化成MATLAB中的矩陣類型。例如data= new double[m*n]，可以用mwArray mwdata(m,n,data);這樣就可以將二維數組變量轉化成mwArray 類型，進而可以作為MATLAB函數的參數。反之，把mwArray 類型的變量轉化成C++中的二維數組：例如存在mwArray 變量mwdata，用函數size獲得矩陣的大小，row=size(&col,mwdata)，其中row,col是函數的返回值，data=new double[row*col];data.ExtractData(mwdata); 這樣就可以把mwArray類型轉化成數組類型。另外，用GetData()和mxGetPr、mxGetPi組合可以得到指向mwArray對象的指針。

3 VC++和MATLAB混合編程

3.1 VC++與MATLAB混合編程步驟

　　在工程實踐中，VC++調用MATLAB 的方法主要有兩種：調用MATLAB計算引擎和調用MATLAB生成獨立可執行的C++函數文件。為滿足工程需要，選擇第二種方法。

3.1.1 在MATLAB中進行編譯器設置

　　MATALB編譯器是一個運行于MATLAB環境的獨立工具。其主要功能是把M程序轉換成C/C++代碼，然后再調用外部C/C++編譯器，把產生的源代碼編譯、鏈接成用戶指定的格式^[4]。

　　需要在MATLAB環境中配置外部C/C++編譯器，在MATLAB命令環境行輸入mbuid-setup設置要用到的C/C++編譯器。輸入mex-setup對MEX文件進行配置編譯。

3.1.2 新建M文件并編譯

　　(1)建立M文件，將工程中需要用到的數學函數庫和圖形庫中的常見函數plot、mesh、hist、image、figure、fft、contour、set、get等函數編寫成M函數。功能相同的函數，參數個數不同時要視為兩個不同函數。

　　(2)利用mcc命令編譯M文件，在MATLAB環境中使用mcc命令將M文件編譯成可獨立執行的C++函數文件。

3.1.3 在VC++中進行編譯環境設置

　　首先設置系統變量，在系統環境的用戶變量添加MATLAB及VC++軟件的安裝目錄。然后在VC++設置編譯環境：

　　(1)添加MATLAB庫的頭文件和庫函數的路徑;

　　(2)設置運行時動態鏈接庫;

　　(3) 導入靜態鏈接庫文件。

3.1.4 創建動態鏈接庫

　　動態鏈接庫是將功能封裝在一起的模塊，因此，與代碼直接寫入調用模塊中相比，它不僅可以提高程序的復用，減少代碼開發工作量，同時也可以節省內存，提高代碼利用率。

　　VC++調用MATLAB混合編程生成可以獨立運行的C++代碼，創建動態鏈接庫，通過靜態加載或動態加載的方式來使用DLL。新建一個空的動態鏈接庫工程，添加一個頭文件dllMATLAB.h和源文件dllMATLAB.cpp。將mcc編譯后生成的C++文件添加到項目中，對MATLAB中M文件中的函數重新定義，滿足MATLAB數據類型與VC++數組類型相互轉化。編譯生成dllMATLAB.dll和dllMATLAB.lib文件。這樣其他應用程序只需將dllMATLAB.h、dllMATLAB.dll、dllMATLAB.lib添加到工程目錄中就可以使用這個動態鏈接庫，實現調用MATLAB的繪圖功能了。

3.2 MATLAB不同版本的區別

　　值得注意的是，不同MATLAB軟件版本導致混合編程的方法不同。與之前版本相比，MATLAB7.0之后的版本的編譯器發生了較大變化。其主要新特點及變化包括以下兩個方面：一、不再提供C++數字庫和圖形庫;二、不再編譯所有的M函數，只是產生必要的C/C++接口函數。

　　所以VC++調用不同版本的MATLAB的動態鏈接庫的過程也有很大差別，具體表現在三個方面。

3.2.1 mcc命令及編譯產生C++文件不同

　　MATLAB7.0之前的版本編譯命令為:mcc - B sglcpp (文件名)，參數“ - B sglcpp ”含義是將. m文件編譯成為C++代碼，生成.cpp和.hpp文件，提供圖形庫支持, 并編譯為獨立運行的exe程序。

　　MATLAB7.0之后版本使用mcc命令。假設要把M文件編譯成C語言動態鏈接庫文件“mcc -W lib:(對應鏈接庫名稱) -T link:lib (文件名M)”。假設要把M文件編譯成C++語言動態鏈接庫文件：“mcc -W cpplib:(對應鏈接庫名稱) -T link:lib (文件名M)”。這里我們采用第二種方法編譯運行之后，在目錄下面將會出現以下以.lib、.dll、.exports、.exp、.h和.cpp為后綴的6個文件。

3.2.2 在VC++工程中頭文件及初始化設置等不同

　　在MATLAB7.0以前，在VC++程序中使用MATLAB編譯器產生代碼時，必須在VC++源程序中分別包含MATLAB.hpp。從MATALB7.0起，MATLAB的編譯器不再提供MATLAB.hpp，代之以mclmcr.h。

　　另外，在調用MATLAB初始化設置時，MATLAB7.0以前采用以下代碼：

　　void initialMATLAB() //初始化設置

　　{ libmmfileInitialize();//初始化MATLAB數學庫

　　libmwsglmInitialize();//初始化MATLAB圖形庫

　　mlfHGInitialize(NULL,NULL);}

　　MATLAB7.0之后版本編譯產生的動態鏈接庫，對每個M文件都有初始化及釋放設置，也就是說不需要整體的初始化及釋放設置，只需對使用的函數進行初始化，具體參考MATLAB幫助。

3.2.3 程序發布方法有所不同

　　由于程序中調用了MATLAB 數學函數庫或圖形庫中的函數，MATLAB7.0之前版本需要附帶MATLAB的這些函數庫才能在沒有安裝MATLAB 的機器上運行。以MTALAB6.5為例，我們需要收集libmmfile.dll、libmwservices.dll、libut.dll等函數庫，并將這些文件添加到應用程序Debug目錄或者Release目錄下，這樣程序就可以未裝MATLAB軟件的機器上運行，簡化了MATLAB與C/C++的混合編程，可移植性強。

　　MATLAB7.0之后版本的編譯器不再提供C++數字庫和圖形庫，而是使用MATLAB組件運行環境MCR(一組標準的動態鏈接庫)，它提供了運行編譯后的程序所需的基本環境[4]。所以要想程序發布到別的沒有安裝MATLAB的計算機上使用，必須在目標計算機上安裝MCR，其文件位于MATLAB 安裝目錄的externlibwin32子目錄MCRInstaller.exe，運行MCRInstaller.exe程序即可自動把需要的庫函數解壓到當前目錄中，這樣程序就可以脫離MATLAB運行。

　　通過對比發現，不同版本各有優勢，在我們的工程項目中選用了MATLAB6.5，這樣要想發布VC++創建的動態鏈接庫只需收集庫文件，雖然收集過程復雜，但是可移植性強，靈活性高，用戶操作簡單。

4 總結

　　本文采用Qt與MATLAB混合編程的方法滿足了Qt工程中對數據處理和圖形顯示的要求，增強了Qt的繪圖功能。經過項目的實踐，調用MATLAB生成的可獨立執行的動態鏈接庫在項目中得到了較好的應用。當然，集成的動態鏈接庫還需要進一步地完善來滿足不同的項目對繪圖及復雜數值運算的要求，為用戶提供功能強大的開發平臺。由于Qt優良的跨平臺特性和MATLAB的圖形處理功能，相信未來Qt與MATLAB的混合編程在嵌入式系統的應用前景會更加廣闊。

參考文獻：

　　[1]霍亞飛.Qt Creator快速入門(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014.

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　　[7]劉維.精通MATLAB與C/C++混合程序設計(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

　　[8]馬興義.MATLAB6應用開發指南[M].北京:機械工業出版社, 2002.

　　[9]張明友,汪學剛.雷達系統(第2版)[M].北京:電子工業出版社,2006.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第9期第57頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。