儀表系統(tǒng)的嵌入式控制器的開發(fā)研究

　　把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到儀器儀表領(lǐng)域，讓傳統(tǒng)的儀表，Internet和微處理器相結(jié)合，已成為儀器儀表行業(yè)發(fā)展的趨勢。

　　本文首先由基于嵌入式智能儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)引出嵌入式控制器，然后結(jié)合嵌入式控制器，作者具體闡述了UML-RT和平臺思想在嵌入式控制器系統(tǒng)設(shè)計中的運用，給出了嵌入式控制器設(shè)計的詳細(xì)步驟和具體內(nèi)容。

　　1 引言

　　在儀器儀表迅速發(fā)展的同時，計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在迅速發(fā)展，PC機已經(jīng)從高速增長進(jìn)入到平穩(wěn)發(fā)展時期，嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，使計算機和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了后PC時代，基于嵌入式智能儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)重要發(fā)展方向之一。而嵌入式控制器是能夠?qū)崿F(xiàn)智能儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵設(shè)備，是工業(yè)控制儀表與Internet連接的橋梁。

　　2 控制器總體介紹

　　嵌入式智能儀表的結(jié)構(gòu)及其與Internet的連接方案設(shè)計如圖1。

　　圖1基于嵌入式智能儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

　　嵌入式控制器是用于執(zhí)行獨立功能并具有以復(fù)雜方式處理數(shù)據(jù)能力的控制系統(tǒng)，它內(nèi)置在工業(yè)儀表上，由三部分組成:高速處理器、嵌入式Web服務(wù)器和工業(yè)儀表接口。嵌入式控制器以高速處理器為核心，由高速處理器和其他芯片協(xié)同工作來控制電子設(shè)備或裝置，能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動化處理任務(wù)。嵌入式控制器是一種很好的基本接入設(shè)備，它通過工業(yè)儀表接口與儀表相連。嵌入式控制器在TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將Web功能融入整個裝置?？蛻糁灰獡碛袨g覽器，即可方便的與控制器進(jìn)行通信，對現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行過程參數(shù)的查看與設(shè)定，控制對象的關(guān)閉與開啟。

　　基于嵌入式儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心是嵌入式控制器，嵌入式控制器是一個典型的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式控制器的系統(tǒng)設(shè)計遵從嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)理論。系統(tǒng)設(shè)計需要考慮把軟件和硬件的結(jié)構(gòu)作為一個統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體。嵌入式系統(tǒng)趨向于采用高平臺(Platform)和采用面向?qū)ο蟮腢ML-RT來進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計。因此，我們在設(shè)計嵌入式控制器時，采用UML-RT和平臺(Platform)，使嵌入式控制器有一個彈性的架構(gòu)，能夠方便快速的改變或擴充功能，滿足系統(tǒng)要求。

　　3 嵌入式控制器的需求分析

　　我們利用UML的用例圖(use case)來對嵌入式控制器進(jìn)行需求分析。用例圖從用戶的觀點描述了系統(tǒng)硬件和軟件的功能。按照前面我們對嵌入式控制器的功能描述，我們得出系統(tǒng)的用例圖，如圖2所示。其中包括七個不同的用例和兩個不同的角色。

　　圖2 嵌入式控制器的用例圖

　　用戶角色可進(jìn)行查看數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)，開啟和關(guān)閉控制對象(智能儀表)，控制對象可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，相應(yīng)開啟和關(guān)閉的操作指令。數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的封裝，發(fā)送，計算等數(shù)據(jù)處理工作。

　　4 平臺(platform)的劃分和設(shè)計

　　在完成了系統(tǒng)的需求分析之后，開始劃分本平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所謂本平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是指平臺系統(tǒng)對各級之間界面的定義及其上、下層的功能分配，而且每一層又有它自己的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主要按照功能、邏輯順序來劃分多級層次結(jié)構(gòu)。在劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時候，主要需要綜合平衡下面的一些問題:

　　1、本質(zhì)上，它是從平臺用戶在使用本平臺進(jìn)行開發(fā)時，所看到的本平臺的屬性，包括概念性結(jié)構(gòu)，一些接口和功能特性。從概念和功能上把它看作是有多級構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)，有利于對嵌入式控制器及開發(fā)平臺本身的正確理解。要研究哪些應(yīng)當(dāng)透明，哪些不應(yīng)當(dāng)透明。透明的好處是可以不用管它，簡化了該級的設(shè)計。

　　2、一般來說，很多功能既可以放在上層，也可以放在下層，而且它們在邏輯功能上是等效的。選擇什么樣的上下層分配比例，主要取決于易用性，復(fù)雜度及現(xiàn)有的硬件狀況等。

　　3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)，究竟應(yīng)該從哪一層開始，也是一個重要的問題。比如對于一個三層的結(jié)構(gòu)，可以有從上到下、從下到上、由中間開始等多種選擇。從上述幾點考慮，嵌入式控制器平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　我們把嵌入式控制器系統(tǒng)分為3個抽象層次:體系結(jié)構(gòu)平臺(ARC platform)，應(yīng)用程序編程接口平臺(API platform)，定制的應(yīng)用程序平臺(ASP)。ARC平臺包含了微處理器存儲系統(tǒng)，接口電路，I/O通道及芯片之間的內(nèi)部連接。微處理器系統(tǒng)由S3C2410微處理器、FLASH, SDRAM, CS8900A網(wǎng)絡(luò)控制芯片等一族“微架構(gòu)”組成。API平臺包括RTOS實時操作系統(tǒng)，嵌入式Web服務(wù)器，設(shè)備驅(qū)動程序等。API平臺是軟件抽象層，把ARC平臺的實現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝。API平臺提供接口服務(wù)，并對這些接口按類別進(jìn)行分組。比如用戶需要知道RTOS是否提供占先式任務(wù)調(diào)度接口，嵌入式Web服務(wù)器提供的HTTP, TCP/IP接口。ASP平臺提供用戶的直接操作界面和專門的應(yīng)用服務(wù)，如讓用戶通過瀏覽器查看和設(shè)定智能儀表的控制參數(shù)。

　　圖3 平臺的劃分

　　在每個平臺都有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求。在ARC平臺對功耗、存儲量、處理速度、通訊能力等都有要求。S3C2410, CS8900A等芯片可以很好的滿足這些要求。在API平臺對運行任務(wù)的個數(shù)，任務(wù)切換時間等也有要求，嵌入式Web服務(wù)器和嵌入式Linux能滿足這些要求。在ASP平臺要求進(jìn)行實時的參數(shù)查看和參數(shù)設(shè)定。采用Java Applet能很好的做到這些。

　　對嵌入式控制器系統(tǒng)進(jìn)行平臺的劃分，并且對各個平臺提出相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量參使我們在設(shè)計的初始階段對整個設(shè)計有全局的觀念，由于各個平臺之間相對獨對以后出現(xiàn)的新的設(shè)計要求和設(shè)計修改具有很好的適應(yīng)能力。

　　5 基于UML-RT的嵌入式控制器設(shè)計

　　在對嵌入式控制器劃分平臺后，我們可以用UML-RT的符號體系對嵌入式控制器系統(tǒng)進(jìn)行建模。我們把建模的過程分為兩個階段。第一階段是考慮系統(tǒng)的對外接口。第二階段是考慮系統(tǒng)內(nèi)部的平臺建模。

　　在第一階段，嵌入式控制器的建模見圖4。根據(jù)前面用例圖的需求分析，得出系統(tǒng)需要與環(huán)境交互的端口有兩個:一個是與控制對象即智能儀表進(jìn)行通訊。一個是和用戶進(jìn)行交互。為了支持和用戶交互以及控制對象通訊，我們定義了兩個容器(capsule)u :User InteRFace和t : Transfer Data。容器p :Process Data則是用來處理數(shù)據(jù)。容器可以包含相關(guān)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳送可通過并口和串口進(jìn)行，這種傳送和處理器藕合的很緊，我們用UML-RT的擴展符號表示。同樣，《SW p1》表示在處理器P1上執(zhí)行的處理與控制對象通訊的程序。我們用這種方式還可以對u :User Interface和p :Process Data進(jìn)行細(xì)化。

　　圖4 嵌入式控制器的第一階段表示

　　在第一階段的基礎(chǔ)之上，我們結(jié)合前面對平臺的劃分，進(jìn)行平臺建模。系統(tǒng)的ARC平臺的建模如圖5所示。

　　圖5 ARC平臺下的UML-RT建模

　　圖5表示了ARC平臺的基本組件和它們的拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)，利用這個圖可以進(jìn)一步的進(jìn)行對象建模。這個模型提供了一個框架，并可以方便的增加，移動，替代，修改框架內(nèi)的元素。UML-RT的端口可以有效的表示模型元素之間的接口。

　　API平臺處于ARC平臺和ASP平臺之間，包括RTOS嵌入式Web服務(wù)器，設(shè)備驅(qū)動程序等。從UML-RT角度看，API平臺是ARC容器與ASP容器之間的通訊管道。在這里ARC容器和ASP容器直接通過連接器相連。

　　ARC Proxy從ASP容器的端口中接收調(diào)用信息，然后把這個信息通過RTOS API送到合適的設(shè)備驅(qū)動程序，讓設(shè)備驅(qū)動程序去和ARC平臺通訊。異步或同步的通訊可以通過這個方式進(jìn)行。驅(qū)動程序和RTOS是緊密相關(guān)的。ASP平臺的建模同樣可以通過類似的方式表現(xiàn)。

　　綜上所述，結(jié)合UML-RT和Platform進(jìn)行嵌入式控制器的設(shè)計，我們看到它們能夠很好的對嵌入式軟硬件進(jìn)行抽象，提供良好的文檔資料。基于UML-RT和Platform設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)，對設(shè)計過程出現(xiàn)的新的設(shè)計要求和設(shè)計修改具有很好的適應(yīng)能力，設(shè)計者可以及早的發(fā)現(xiàn)并更正錯誤。