王艷萍，楊建宋

（杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江杭州 310036）

VC＋＋6.0與MATLAB聯(lián)合編程實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)智能處理

王艷萍，楊建宋＊

（杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江杭州 310036）

采用VC＋＋6.0和MATLAB混合編程的方法，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā).實(shí)踐表明二者聯(lián)合編譯能大大提高軟件開(kāi)發(fā)效率，縮短軟件維護(hù)周期.

VC＋＋6.0；MATLAB；混合編程；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

0 引 言

MATLAB是由Mathworks公司推出的用于科學(xué)計(jì)算的軟件，具有強(qiáng)大的矩陣計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化處理能力，可以進(jìn)行數(shù)值分析、信號(hào)處理、符號(hào)運(yùn)算等多個(gè)領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形圖像的處理［1］.不僅如此，MATLAB還具有與其他高級(jí)語(yǔ)言相似的編程特性［2］.

VC＋＋6.0是Microsoft公司開(kāi)發(fā)的一種功能強(qiáng)大、行之有效的可視化編程工具，其友好的可視化界面方便用戶開(kāi)發(fā)Windows程序［3］.但是，應(yīng)用C＋＋編寫數(shù)據(jù)處理模塊遠(yuǎn)沒(méi)有MATLAB方便和簡(jiǎn)捷.MATLAB在數(shù)值分析和處理上是一流的，特別是在矩陣運(yùn)算方面，其中許多復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算在VC＋＋中很難實(shí)現(xiàn)［4］.當(dāng)然，MATLAB也有它的不足.由于MATLAB程序是解釋執(zhí)行的，對(duì)程序只能解釋一句執(zhí)行一句，因此運(yùn)行速度比較慢，在做循環(huán)運(yùn)算、處理諸如遙感圖像等信息量很大的圖像時(shí)，問(wèn)題就十分突出［4－5］，而運(yùn)行的高效率恰恰是C＋＋程序的優(yōu)勢(shì).另外MATLAB保存的M文件是源程序代碼，安全保密性差，用戶界面設(shè)計(jì)不如其他一些軟件方便，對(duì)計(jì)算機(jī)底層的數(shù)據(jù)訪問(wèn)也不夠靈活［6］.通過(guò)VC＋＋6.0調(diào)用MATLAB，實(shí)現(xiàn)VC＋＋6.0與MATLAB混合編程，就可以很好地克服它們的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)速度和數(shù)據(jù)處理的雙贏.VC＋＋6.0負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)可視化圖形操作界面，并進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，MATLAB負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，二者聯(lián)合編譯生成軟件系統(tǒng).

1 在VC＋＋6.0中調(diào)用MATLAB混合編程方法

實(shí)現(xiàn)在VC＋＋6.0中調(diào)用MATLAB進(jìn)行混合編程，有以下幾種方法：通過(guò)COM組件調(diào)用MATLAB［4］，采用MATLAB自帶編譯器mcc［7－8］，用Matcom將MATLAB的M文件編譯成C語(yǔ)言文件并嵌入VC［4］，使用MATLABENGINE法［8－11］等.

MATLABENGINE方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，不要求連接整個(gè)MATLAB只需嵌入必要的MATLABENGINE庫(kù)便可大大節(jié)省系統(tǒng)資源.文中系統(tǒng)即采用這種調(diào)用方法.

2 用MATLAB和VC＋＋6.0編制物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)在Windows95／98／2000等平臺(tái)上，使用Visual C＋＋6.0面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì).其主要功能體現(xiàn)在2個(gè)方面：

1）實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的手動(dòng)輸入，異常數(shù)據(jù)的判斷和剔除，以不確定度傳遞公式進(jìn)行不確定度的計(jì)算，按照誤差理論和“四舍六入五成雙”的數(shù)字修約法則進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的安全存儲(chǔ)、自動(dòng)評(píng)價(jià)與正常輸出；

2）物理實(shí)驗(yàn)教師能瀏覽學(xué)生實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果.

系統(tǒng)采用基于對(duì)話框的應(yīng)用程序框架，由一個(gè)主對(duì)話框和多個(gè)模態(tài)對(duì)話框組成，可分為3個(gè)模塊（即子系統(tǒng)）：主控子系統(tǒng)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、教師實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng).系統(tǒng)采用ADO訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù).項(xiàng)目名稱為PhyExperimentSys，打包后生成的安裝程序名為PhyExperimentSys.exe.用戶只需雙擊運(yùn)行該程序即可使用物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).首先出現(xiàn)的界面如圖1所示.點(diǎn)擊“學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理”按鈕，將開(kāi)始調(diào)用學(xué)生數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，進(jìn)入相應(yīng)界面；點(diǎn)擊“教師實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢”，將開(kāi)始調(diào)用教師實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)，進(jìn)入相應(yīng)界面；點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”，將退出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).

圖1 系統(tǒng)啟動(dòng)界面Fig.1 The startup interface of the system

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的10個(gè)實(shí)驗(yàn)為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，分為力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)4個(gè)部分［12］.該文以力學(xué)部分的“物質(zhì)密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)”為例，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)現(xiàn).

3.1 物質(zhì)密度測(cè)量模塊功能介紹

學(xué)生單擊力學(xué)中的“物質(zhì)密度測(cè)量”實(shí)驗(yàn)后便進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理子模塊.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入界面如圖2所示.學(xué)生正確無(wú)誤輸入小鋼球質(zhì)量的2次測(cè)量數(shù)據(jù)和直徑的5次測(cè)量數(shù)據(jù)后，單擊“計(jì)算”命令按鈕，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算小鋼球直徑的平均值、直徑的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、小鋼球質(zhì)量的平均值、質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、小鋼球的密度和密度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度.數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3所示.不確定度的計(jì)算特別是間接不確定度的計(jì)算在VC＋＋中不易實(shí)現(xiàn)，但復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算卻是MATLAB的強(qiáng)項(xiàng)，此例中即是調(diào)用MATLAB來(lái)完成計(jì)算功能的.

3.2 MATLAB函數(shù)源碼

以下是程序計(jì)算部分的一部分MATLAB函數(shù)源碼（程序里出現(xiàn)的以符號(hào)“%”開(kāi)始的文字說(shuō)明皆為程序的注釋）：

3.3 在VC＋＋6.0中使用MATLAB ENGINE，調(diào)用MATLAB，實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能

在“物質(zhì)密度測(cè)量”實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量小鋼球直徑5次、小鋼球質(zhì)量2次，共7個(gè)實(shí)驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)；計(jì)算并顯示小鋼球直徑的平均值、直徑的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、小鋼球質(zhì)量的平均值、質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、小鋼球的密度和密度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，共6個(gè)實(shí)驗(yàn)輸出數(shù)據(jù).由此確定程序中需要7個(gè)輸入變量，6個(gè)輸出變量.程序設(shè)計(jì)思路如下：首先打開(kāi)MATLAB引擎，創(chuàng)建6個(gè)mxArray型數(shù)據(jù)作為輸出變量，創(chuàng)建7個(gè)mxArray型數(shù)據(jù)作為輸入變量，并把7個(gè)輸入變量寫入MATLAB引擎工作空間.然后使用函數(shù)engEvalString向MATLAB發(fā)送命令字符串，完成計(jì)算功能.緊接著獲取MATLAB引擎的輸出結(jié)果，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成double型.最后釋放內(nèi)存空間，關(guān)閉引擎.

VC＋＋6.0中調(diào)用部分的程序源碼見(jiàn)附錄.

4 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的正確性，筆者以杭州師范大學(xué)物理系09級(jí)部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為測(cè)試用例數(shù)據(jù)（表1），將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果與用手工方式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較。

按照物理實(shí)驗(yàn)中的密度計(jì)算公式以及有效數(shù)字和尾數(shù)“四舍六入五成雙”的數(shù)字修約法則，用手工方式計(jì)算處理表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2.

將兩位學(xué)生的物質(zhì)密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用該系統(tǒng)進(jìn)行處理，其結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5所示.

表1 測(cè)試用例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Examples for experimental data

表2 測(cè)試用例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的手工計(jì)算結(jié)果Tab.2 The manual calculations results of examples for experimental data

比較表2與圖4、圖5所示結(jié)果，可以看出該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生物質(zhì)密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果是正確的.

其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊的測(cè)試和物質(zhì)密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊的測(cè)試相同，此處不再一一給出.

由此表明，應(yīng)用該系統(tǒng)處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果與按誤差理論進(jìn)行手工計(jì)算的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的正確性是可靠的.

物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)目前處于試用階段.試用該系統(tǒng)的學(xué)生普遍認(rèn)為：該系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)友好、操作方便、數(shù)據(jù)處理正確且快速.同時(shí)，試用該系統(tǒng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作積極性普遍提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較之以前有較大的改善.

5 結(jié) 論

開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)踐證明，利用MATLAB引擎可節(jié)省大量資源，應(yīng)用程序整體性比較好，能最充分地利用MATLAB的功能，縮短軟件的開(kāi)發(fā)周期，為開(kāi)發(fā)各種類型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供了一種新的快速的方法.對(duì)要求較多復(fù)雜計(jì)算的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用VC＋＋與MATLAB聯(lián)合編程更是得心應(yīng)手.

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附錄：

以下是VC＋＋6.0中調(diào)用部分的部分程序源碼（以符號(hào)“／／”開(kāi)始的文字說(shuō)明為程序的注釋）.

The Realization of Intelligent Processing about the Physical Experiment Data by VC＋＋6.0and MATLAB Mixed Programming

WANG Yan-ping，YANG Jian-song

（College of Science，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

This paper used VC＋＋6.0and MATLAB mixed programming method to realize the physics experiment data processing system development.The practice in the developing indicates that the combination of VC＋＋6.0and MATLAB language can increase the developing efficiency of software greatly，and shorten the maintenance period.

VC＋＋6.0；MATLAB；mixed programming；experiment data processing

TP312

A

1674-232X（2011）03-0268-07

10.3969／j.issn.1674-232X.2011.03.016

2010-11-17

王艷萍（1983—），女，江蘇徐州人，科學(xué)教育專業(yè)碩士研究生，主要從事信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)整合研究.

＊通信作者：楊建宋（1957—），男，浙江諸暨人，教授，主要從事物理教學(xué)和凝聚態(tài)物理研究.E-mail：88972208＠163.com