模式在主控機(jī)軟件中的應(yīng)用與研究

1 引言

目前采用PC機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)構(gòu)成的分布式系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等得到廣泛應(yīng)用。它既利用了單片機(jī)價(jià)格低、功能強(qiáng)、抗干擾能力好以及面向控制等優(yōu)點(diǎn)來構(gòu)建適宜分布于工業(yè)現(xiàn)場、使用方便靈活的監(jiān)控站或下位機(jī)，又結(jié)合PC機(jī)豐富的軟硬件資源，提供管理功能強(qiáng)大、人機(jī)界面友好的操作平臺(tái)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，個(gè)人和單位的貴重物品、重要文件、有價(jià)單證等日益增多，迫切需要安全保管。銀行開設(shè)保管箱租賃業(yè)務(wù)把專用保管箱出租給客戶滿足了客戶需求。銀行保管箱系統(tǒng)由軟件部分和硬件部分構(gòu)成：軟件部分支持客戶管理、保管箱狀態(tài)監(jiān)視等；硬件部分包括PC機(jī)與單片機(jī)通信、單片機(jī)與單片機(jī)通信等。

由PC機(jī)與多個(gè)單片機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，一方面需要穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信，另一方面PC機(jī)端也需要一個(gè)可靠、易維護(hù)、可復(fù)用的軟件管理系統(tǒng)。在采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)與分析過程中模式技術(shù)起著越來越重要的作用。模式是對(duì)特定上下文中遇到的一般性問題的可重用解決方案的概要。模式可以分為三個(gè)抽象層次^[1]：體系結(jié)構(gòu)模式，設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)模式。體系結(jié)構(gòu)模式表示軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)組織方案，例如，分層應(yīng)用程序模式。設(shè)計(jì)模式描述了特定場景下用來解決一般設(shè)計(jì)問題的類和相互通信的對(duì)象^[2]. 實(shí)現(xiàn)模式是與特定的編程語言相關(guān)的模式。每個(gè)下層模式都是對(duì)上一層的優(yōu)化。使用模式技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足可靠、易維護(hù)、可復(fù)用系統(tǒng)的需要。文中將依保管箱系統(tǒng)為例闡述模式在PC機(jī)與多個(gè)單片機(jī)組成系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及業(yè)務(wù)流程

保管箱系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)由一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）與五臺(tái)下位機(jī)（基于8051的單片機(jī)）通過RS485總線組成網(wǎng)絡(luò)。由于RS485串行通信具有距離長、抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)^[3]，所以在PC機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中常采用RS485技術(shù)。圖1中每個(gè)保險(xiǎn)箱內(nèi)嵌入一個(gè)單片機(jī)組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。每個(gè)鑰匙也由單片機(jī)構(gòu)成，它與對(duì)應(yīng)的下位機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相連，我們稱下位機(jī)為鑰匙架。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程：在銀行的營業(yè)前臺(tái)客戶在主控機(jī)上進(jìn)行身份驗(yàn)證后，被分配一把鑰匙，客戶從鑰匙架上取走此鑰匙，然后帶著鑰匙與自己租用的保險(xiǎn)箱中的單片機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信打開箱子?？蛻籼幚硗陿I(yè)務(wù)后，用鑰匙鎖上保管箱并把它帶回到前臺(tái)放回原地，這時(shí)主控機(jī)獲得此下位機(jī)的最新狀態(tài)。

3　主控機(jī)軟件的體系結(jié)構(gòu)模式

分層是軟件設(shè)計(jì)中解決復(fù)雜問題的最常用技術(shù)。高層使用低層提供的各種服務(wù)，而低層并不關(guān)注高層的存在。一般情況下采用層技術(shù)可以使各類開發(fā)者更專注于本層的工作而不需要知道其它層的情況。采用分層技術(shù)并根據(jù)分層應(yīng)用程序模式^[1]可把主控機(jī)軟件設(shè)計(jì)為三層：表示層、業(yè)務(wù)層與通信層。表示層處理用戶與軟件系統(tǒng)之間的交互；業(yè)務(wù)層處理問題域中的各種業(yè)務(wù)；通信層負(fù)責(zé)向業(yè)務(wù)層提供通信支持，并保證向上層提供信息的可靠性和及時(shí)性。一般當(dāng)系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)庫支持永久保存數(shù)據(jù)時(shí)，可以增加數(shù)據(jù)存取層作為與通信層同處一層的層，如圖2所示。

圖2　主控機(jī)軟件的三層體系結(jié)構(gòu)模式

保管箱系統(tǒng)中，主控機(jī)與下位機(jī)之間的通信封裝在通信層中，業(yè)務(wù)層上需要鑰匙時(shí)，它只要向通信層提出請求，由通信層判斷哪一臺(tái)下位機(jī)可以提供鑰匙，并在獲取下位機(jī)信息后提供給業(yè)務(wù)層，通信層要保證提供信息的可靠性和及時(shí)性。通信層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使用設(shè)計(jì)模式可以滿足此層所需的高可靠性要求。

4　通信層與下位機(jī)的通信原理

通信層發(fā)送被呼叫的下位機(jī)地址，等待下位機(jī)的應(yīng)答，若應(yīng)答信號(hào)正確則發(fā)送控制命令；若應(yīng)答信號(hào)不正確則再發(fā)送被呼叫的地址，并等待接收應(yīng)答信息。對(duì)同一下位機(jī)多次呼叫而在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無應(yīng)答信號(hào)或應(yīng)答信號(hào)不正確，則提示出錯(cuò)。

5　通信層中的設(shè)計(jì)模式

根據(jù)設(shè)計(jì)模式的目的，設(shè)計(jì)模式可分為創(chuàng)建型、結(jié)構(gòu)型和行為型三類^[2]。結(jié)構(gòu)模式和行為模式被用來組織類或?qū)ο笾g的關(guān)系和職責(zé)，形成應(yīng)用程序的構(gòu)架；創(chuàng)建型模式用于生成和管理對(duì)象^[4]，包括單件模式、對(duì)象池模式等，其中對(duì)象池模式是利用單件模式發(fā)展而成的。使用創(chuàng)建型模式把對(duì)象的使用與對(duì)象的生成和管理分離，使類的職責(zé)更加單一、明確，可以提高軟件的可維護(hù)性。通信層采用對(duì)象池模式隱藏了PC機(jī)與單片機(jī)之間通信，提高了業(yè)務(wù)層的可測試性。如果通信層接口比較復(fù)雜，則可以在通信層上采用外觀模式(Facade Pattern)^[2]為上層提供一個(gè)簡單接口以簡化對(duì)通信層的使用。保管箱系統(tǒng)中通信層利用對(duì)象池模式生成下位機(jī)對(duì)象供業(yè)務(wù)層使用，使得業(yè)務(wù)層只專注于業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)而不再關(guān)注對(duì)象的生成方式。

5.1單件模式

單件模式（Singleton　Pattern）^[2]屬于創(chuàng)建型模式，它讓類自身負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的實(shí)例，并保證這個(gè)實(shí)例是此類的唯一實(shí)例，而且它提供一個(gè)全局獲取點(diǎn)來獲取此實(shí)例。用C#描述的算法框架如下：

class Singleton{
private static Singleton instance;

private Singleton() {} // 保證此類在類外部不被實(shí)例化
public static Singleton Instance(){　//提供一個(gè)全局獲取點(diǎn)
if (instance ＝＝ null){ // 保證此實(shí)例的唯一性

instance = new Singleton(); //類自身創(chuàng)建自己的實(shí)例
}
return instance;
}

}

5.2對(duì)象池模式

對(duì)象池模式(Object Pool Pattern)是由單件模式發(fā)展而來的創(chuàng)建型模式^[4]。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的代價(jià)很高或使用的某個(gè)類的對(duì)象數(shù)目固定時(shí)，可以用對(duì)象池模式復(fù)用這些對(duì)象。這些對(duì)象的產(chǎn)生和管理必須遵守一些明確的規(guī)則，例如如何管理一個(gè)對(duì)象、多少對(duì)象被產(chǎn)生、當(dāng)這些對(duì)象完成它們當(dāng)前任務(wù)后如何復(fù)用它們等等。保管箱系統(tǒng)中，每個(gè)下位機(jī)是一個(gè)對(duì)象，下位機(jī)對(duì)象的數(shù)目是固定，因此在通信層中可以引入對(duì)象池模式生成和管理這些對(duì)象。引入對(duì)象池模式后通信層的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　引入對(duì)象池模式后通信層的結(jié)構(gòu)圖

對(duì)象池模式由下位機(jī)類KeyRack和類的管理者KeyRackManager類組成，此模式不僅包括下位機(jī)對(duì)象的產(chǎn)生，而且包括對(duì)下位機(jī)對(duì)象的管理。KeyRackManager處理成單件模式，它是唯一的可以產(chǎn)生KeyRack對(duì)象的類。它的數(shù)據(jù)域中有一個(gè)私有數(shù)組racks，用來存貯 KeyRack對(duì)象，在KeyRackManager的構(gòu)造函數(shù)中初始化racks。方法acquireKeyRack用來獲取一個(gè)有鑰匙的下位機(jī)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)算法如下：

public KeyRack acquireKeyRack(){

int i=0;

while (i MAX){ //MAX是一個(gè)表示下位機(jī)個(gè)數(shù)的常數(shù)

if (racks[i].Status.Equals(KeyRackState.有鑰匙)){

　break;

}

i++;

}

if (i>= MAX){

throw new Exception("當(dāng)前沒有可用鑰匙");

}

return racks[i];

}

以上算法說明當(dāng)業(yè)務(wù)層需要一個(gè)KeyRack對(duì)象時(shí)，只需要調(diào)用通信層上的方法acquireKeyRack即可獲得，而不需要知道此對(duì)象的產(chǎn)生方式。開發(fā)者根據(jù)需要也可以指定具體需要哪一個(gè)下位機(jī)對(duì)象。方法releaseKeyRack用來從racks中釋放一個(gè)鑰匙架對(duì)象。 statisticalState用來統(tǒng)計(jì)下位機(jī)對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)。

類KeyRack包含的屬性有：下位機(jī)標(biāo)識(shí)符ID、當(dāng)前下位機(jī)狀態(tài)Status（有鑰匙、無鑰匙或損壞）。方法getMCUState用來與編號(hào)為 id的下位機(jī)通信，并把獲取的狀態(tài)信息賦給屬性Status；此方法被類的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用；在Windows系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)串行通信的方便途徑是采用專門處理串行通信的控件。

為了保證通信的可靠性，一方面在設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件時(shí)采用狀態(tài)重復(fù)檢測、關(guān)鍵字重發(fā)等措施，另一方面在主控機(jī)軟件的通信層中采用雙重檢測。

在類KeyRack中對(duì)標(biāo)識(shí)符為pID的下位機(jī)狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)檢測，算法如下：

public KeyRack(int pID)

{ …

ID=pID;

　　System.Timers.Timer aTimer=new System.Timers.Timer();//檢測初始化

aTimer.Elapsed+=new ElapsedEventHandler(OnTimedEvent);

aTimer.Interval=1000; //1秒檢測一次編號(hào)為ID下位機(jī)

aTimer.Enabled=true;

}

private void OnTimedEvent(object source, ElapsedEventArgs e){　

getMCUState(　ID　); //與編號(hào)為ID的下位機(jī)進(jìn)行通信

}

在類KeyRackManager中對(duì)所有下位機(jī)狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)巡察，算法如下：

private KeyRackManager( ){

System.Timers.Timer aTimer=new System.Timers.Timer(); //巡察初始化

aTimer.Elapsed+=new ElapsedEventHandler(OnTimedEvent);

aTimer.Interval=2000; //2秒鐘巡察一次

aTimer.Enabled=true;

}

private void OnTimedEvent(object source, ElapsedEventArgs e){　//巡察

int i;

for (i=0;i MAX;i++){

racks[i].Status=racks[i].currentState(i);

}

}

以上通過KeyRack和KeyRackManager實(shí)現(xiàn)雙重檢測，保證了通信層向業(yè)務(wù)層提供高可靠性的信息。

6　結(jié)束語

文中介紹了在PC機(jī)與多個(gè)單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中主控機(jī)管理軟件的三層體系結(jié)構(gòu)模式和通信層中采用對(duì)象池模式及雙重檢測技術(shù)。我們使用這些技術(shù)開發(fā)了銀行保管箱系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、易維護(hù)。同時(shí)，文中提出的帶有通信層的三層體系結(jié)構(gòu)模式及在通信層中采用對(duì)象池模式和雙重檢測方法可以推廣到其它相似的應(yīng)用系統(tǒng)中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):明確提出主控機(jī)軟件的三層體系結(jié)構(gòu)，使得主控機(jī)軟件設(shè)計(jì)更加清晰；對(duì)通信層的設(shè)計(jì)首次提出使用對(duì)象池模式和雙重檢測方法，保證此層具有高可靠性和較好的可維護(hù)性。

作者簡介：

沈峰，男，1976年生，安徽蒙城人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槊嫦驅(qū)ο蟮南到y(tǒng)模型和設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。電子郵件:shenfeng@aiofm.ac.cn,

通信地址：安徽合肥市1125信箱網(wǎng)絡(luò)中心　230031；

李曉風(fēng)，男，1966年生，安徽碭山人，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)自動(dòng)控制、現(xiàn)代軟件工程方法等。

SHEN Feng,Male, born in 1976，graduate student,His research interests include object-oriented system model and design methods , computer autocontrol.

LI Xiao-Feng,Male, born in 1966， professor，advisor of graduate students , His research interests includ computer autocontrol and modern software engineering methods.

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