Mathcad Automatisierter Code-Export nach C++ oder Windows-DLL

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1 Mathcad Automatisierter Code-Export nach C++ oder Windows-DLL Dipl.-Ing. Christian Meißner SimulationTools PTC World 2009 Stuttgart C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 1

2 Was ist Mathcad? Sehr übersichtliches, leicht zu erlernendes und leistungsfähiges Mathematikprogramm. Beispiel: Arbeitsblatt Text Grafiken Variablendefinitionen Gleichungen in Standardnotation Berechnungsergebnisse C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 2

3 1. Vorteile von Mathcad Haupteinsatzgebiete von Mathcad Lehre (z.b. Beispielaufgaben) Einfache Berechnungen (z.b. Dimensionierung von Maschinenelementen) C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 3

4 1. Vorteile von Mathcad Haupteinsatzgebiete von Mathcad Schnelle Entwicklung von (Test-)Algorithmen Visualisierung in Diagrammen Debugging-Funktion zur Fehlersuche Selektive Neuberechnung Übersichtliche Programmierung Formatierte Kommentare Im- und Export von vielen Dateiformaten... Mathcad ist eine sehr gute Entwicklungs-, Berechnungs und Dokumentationssoftware C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 4

5 1. Vorteile von Mathcad Dateneingabe Excel Integrierte Dokumentation Diagrammdarstellung Große Funktionsbibliothek Bildverarbeitung, Dateizugriff, Datenanalyse, DGL-Löser, Matrizen, Wahrscheinlichkeit, Zeichenfolgen,... Pro/E-Schnittstelle Gleichungen in Standdardnotation Erweiterung durch DLL s #include <stdio.h> void main(char *text) Erweiterungspakete (Extensionpacks) Datenanalyse, Bildverarbeitung, Signalverarbeitung, Wavelets C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 5

6 2. Komplexe Berechnungen in Mathcad z.b. Handling von große Datenmengen Vorteile: Viele unterstützte Dateiformate (Input/Output) Sequenzielle Abarbeitung von Dateien, z.b. über Skripte Probleme: Einheitliche Verwendung von 52(64)-bit-Variablen 1 GB Speicherlimit (Mathcad 14) Zwischenergebnisse Beispiel: Eine Synthesealgorithmus liefert 10 Mio. Getriebestrukturen mit je 8 Zähnezahlen, 6 Übersetzungen und 7 Bewertungsgrößen. Mathcad : Zähnezahlen: 8x64 bit Übersetzungen: 6x64 bit Bewertungen: 7x64 bit x 10 Mio. Varianten insgesamt 1602 MB nicht vollständig lösbar C++: Zähnezahlen: 8x7 bit Übersetzungen: 6x16 bit Bewertungen: 7x8 bit x 10 Mio. Varianten insgesamt 246 MB vollständig lösbar C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 6

7 2. Komplexe Berechnungen in Mathcad z.b. Programm mit vielen Unterfunktionsaufrufen Beispiel in Mathcad : Hierachiestufe 1: Hierachiestufe 2: y 1 (x 1,x 2 )=f 1 (y 2,y 3 ) y 2 =f 2 (y 4 ) y 3 =f 3 (y 5 ) up-stream down-stream Hierachiestufe 3: y 4 =f 4 (x 1,x 2 ) y 5 =f 5 (x 1,x 2 ) 12 Paramterübergaben (Schreiboperationen) in Mathcad Dasselbe Beispiel in C++ : 8 Paramterübergaben in C++ C++ ist u.a bei der Verwendung eines globalen Speichern schneller. y 1 (x 1,x 2 )=f 1 (y 2,y 3 ) y 2 =f 2 (y 4 ) y 3 =f 3 (y 5 ) y 4 =f 4 (x 1,x 2 ) y 5 =f 5 (x 1,x 2 ) Globaler Speicher C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 7

8 2. Komplexe Berechnungen in Mathcad Fazit aus Kapitel 2: Verschiedene Programmiersprachen haben verschiedene Vorteile Ziel: Mathcad : C++: schnelle Entwicklung gute Visualisierung hohe Rechengeschwindigkeit geringer Speicherbedarf... Vereinen der Vorteile beider Systeme Voraussetzung: Bidirektionale Übergabemöglichkeit für Parameter C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 8

9 3. Erweiterungskonzepte von Mathcad Dateiverknüpfungen Verknüpfen von Formelsammlung 1 Formelsammlung 2 Mathcad -Dateien Bessere Strukturierung Berechnung Funktionsaufruf Komponenten Bidirektionaler Datenaustausch (z.b. nach EXCEL) Dynamische Bibliotheken (DLLs) Compilierter Programmcode Sehr schneller Datenaustausch Programmcode sicher vor dem Zugriff Dritter bzw. vor Manipulation Mathcad - Berechnung Mathcad - Berechnung Excel DLL C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 9

10 Anwendungen Dynamische Bibliotheken (DLL s) MS Word MS Excel PTC Mathcad Kernel32.dll Windows API eigene neue DLL Hardware-DLL Funktionsaufruf Funktionsbeschreibung Betriebssystem: Mircosoft Windows Aktionen: Beim Programmstart: Laden aller DLL s in den Speicher (z.b. in C:\mathcad\userfi\ ) Beim einem Funktionsaufruf in Mathcad: In Mathcad definierte Funktion? Mathcad interne Funktion? DLL Funktion? Vorteile: einfache Erweiterung von bestehender Software (zusätzliche Funktionen) einfache Aktualisierung von Funktionen (Austausch der DLL) C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 10

11 Beispiel: Fahrzeugsimulation vereinfachtes Modell Ziel: Erhöhung der Rechengeschwindigkeit Teil 1: Optimierung des Mathcad -Programmcodes Zusammenfassen von Funktionen, Preprozessing, Interpolationsroutinen,... Teil 2: Auslagerung von rechenintensiven Funktionen in eine DLL Schrittweises Auslagerung von Funktionen Zwischentest der Funktionen Reduktion der Übergabeparameter durch Ablegen im DLL-internen Speicher Rechenzeit einer einfachen 10s-Fahrdynamiksimulation Vollständige Berechnung in MathCAD 9,062 s Optimierung des MathCAD-Codes Teile des Reifenmodells als DLL Vollständiges Reifenmodell als DLL Vollständige Fahrsimulation als DLL 2,390 s 3,469 s 3,359 s 4,703 s Ausführungszeit auf 26% gesenkt! Rechenzeit [s] Geschwindigkeitssteigerung bei dieser Anwendung um Faktor 3,8! C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 11

12 Kurzanleitung zur Erstellung von DLLs: Mathcad-Sheet händisch durch Abprogrammieren C/C++-Code V. 14 Konvertierungstool #include <stdio.h> void main(char *text) {... } Optimierungen fertige DLL Compiler / Linker Microsoft Studio Entwicklungsumgebung OpenWatcom ( Sourcecode / Bibliotheken + von PTC mitgelieferte Dokumente: Mcadincl.h, Mcaduser.lib Bildquellen: image.spreadshirt.net, C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 12

13 Fazit: Bisher: DLL-Erstellung sehr aufwändig wenige praktische Verwendung Neu: automatische DLL-Erstellung Standardoptimierungstool Notwendige Arbeitsschritte: Speichern des Mathcad-Arbeitsblattes als *.xmcd Öffnen der *.xmcd-datei im Mathcad-C-Konverter Ggf. benötigte Funktionen auswählen DLL speichern Abhängigkeiten werden geprüft C-Code wird erstellt C-Code wird zur DLL compiliert Dokumentation wird erstellt C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 13

14 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 1. Mathcad-Programm als unkomprimierte *.xmcd-datei speichern Kräfte und Druckverteilungen am Gleitlager β D F V F L F D F D =So D B D w 2 F V =So V B D C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 14

15 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 2. *.xmcd-datei im Mathcad-C-Konverter öffnen C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 15

16 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 3. gewünschte Funktionen auswählen Projektkurzzeichen Funktionsauswahl Automatisches Ermitteln der Abhängigkeiten von anderen Funktionen C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 16

17 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 4. Ausgabeformat wählen C-Code (*.h) DLL-Code (*.c) DLL-Datei (*.dll) Dokumentation (*.pdf) C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 17

18 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 5. Speichern als DLL Erstellen des C-Codes Compilieren des DLL-Codes Kopieren der DLL in das Mathcad - Verzeichnis...\userfi Registrieren der Hilfeeinträge Erstellen der Dokumentation C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 18

19 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 5. Speichern automatische PDF-Dokumentation C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 19

20 Arbeitsschritte am Beispiel Gleitlagerberechnung 6. Wieder-Einbinden in Mathcad Aufruf der in der DLL gespeicherten Sommerfeld- Funktion C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 20

21 5. Zusammenfassung Mathcad als Leistungsfähige Software für Lehraufgaben, Einfache Berechnungen und die Entwicklung von Berechnungsalgorithmen Erweiterung von Mathcad durch DLLs Erhöhung der Rechengeschwindigkeit Quellcodeschutz Erstellung von DLLs Bisher händisch und aufwändig NEU: automatisiert durch Konvertierungstool Ausgabeformate: DLL, C-Code, DLL-Code Inkl. Vollautomatischer Dokumentation Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Christian Meißner SimulationTools Röhrsdorfer Str Chemnitz Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) C. Meißner - PTC World 2009 Stuttgart 21