面向對象的嵌入式系統(tǒng)設計方法

1 概述

隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經成為制造業(yè)的核心技術。它被廣泛地應用到工業(yè)控制、仿真系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、信息家電、通信設備等眾多領域。目前，圍繞嵌入式系統(tǒng)展開研究和開發(fā)，已經成為計算機軟硬件技術發(fā)展最活躍的方向之一。

嵌入式系統(tǒng)不同于通常純粹的軟件系統(tǒng)或硬件系統(tǒng)，而是軟件與硬件通過在一起的，有些功能既可以用軟件實現(xiàn)，也可以通過硬件實現(xiàn)。另外，嵌入式系統(tǒng)設計所面臨的挑戰(zhàn)不僅涉及到計算機軟件和硬件，也會涉及到許多非計算機工程中的問題，諸如機械尺寸問題、功耗問題和制造成本問題等。即使是計算機工程方面的問題，大部分系統(tǒng)在實時性、可靠性和多速率等問題方面也都有特別要求。

    目前，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的硬件方法主要有：定制邏輯（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和嵌入式微處理器三種。在實際系統(tǒng)實施中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是采用嵌入式微處理器方式，如單片機、單板機或嵌入式微處理器芯片等。這是因為用微處理器實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)是一種十分有效的方法，它使得在不同價位上設計不同特性的產品系列成為可能，并且能夠擴充新特性以滿足飛速發(fā)展變化的市場需求。

2 嵌入式系統(tǒng)設計面臨的問題和解決辦法

過去嵌入式系統(tǒng)分析和設計方面的主要問題為：①分析設計沒有一個統(tǒng)一的標準；②分析設計方法不統(tǒng)一；③從分析設計到制作和編程沒有一個始終一貫的工程化方法，使得產品形成的每一個過程人為因素影響十分嚴重；④分析設計的成果不能被開發(fā)類似項目或產品的重用。以上4個方面的問題成為多年來制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸，使得大部分從事嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)的組織和團體，基本上是采用小組甚至是作坊式的動作模式。這使得開發(fā)較復雜或大型系統(tǒng)的工作變得十分困難甚至無法進行，或因為系統(tǒng)需求的不斷變化或小組成員的流動導致項目失敗。我們知道，人類之間要想達成對任何事件的交流，前提是實現(xiàn)對該事物形態(tài)（或表現(xiàn)形式）和行為的標準化，之后才可能實現(xiàn)對該事物形態(tài)（或表現(xiàn)形式）和行為的標準化，之后才可能實現(xiàn)對其的存儲、處理和交流。嵌入式系統(tǒng)制作過程產品以上4方面問題的主要原因是沒有一個對嵌入式系統(tǒng)需求、分析、設計、制作、測試和維護過程的結構特征和行業(yè)特征統(tǒng)一的工程化描述方法。目前，面向對象技術正是建立在對真實世界抽象思維的基礎上，統(tǒng)一建模語言（UML）為這種思維提供了可視化工具，解決了以上難題。使用UML對嵌入式系統(tǒng)建模，不僅可以使系統(tǒng)分析設計實現(xiàn)標準化，而且完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)分析、設計和制作、測試分別由不同的項目成員在統(tǒng)一、一貫的方式下完成，也使得系統(tǒng)分析和設計模型在相似系統(tǒng)中重用成為可能。

3 系統(tǒng)建模

面向對象的嵌入式系統(tǒng)建模同任何軟件密集型系統(tǒng)建模一樣，從系統(tǒng)中的類建模開始。為了解類的結構，首先對系統(tǒng)工作過程作一個總體陳述。無論是采用問題空間詞匯抽象方法還是采用用例（use case）驅動建模方法，目標都是找到系統(tǒng)以類或對象作為構造塊的類圖。如果采用用例驅動的系統(tǒng)分析方法，該內容也可以用用例視圖加以模型規(guī)格說明，然后使其作為系統(tǒng)白盒測試依據(jù)。由于使用用例視圖做的規(guī)格說明篇幅比較大，本文僅用文字描述說明這部分內容。

本文所例舉的系統(tǒng)為一小型變頻調速器系統(tǒng)。對任何一個三相交流電機，在輸入單相交流電源的情況下，實現(xiàn)6Hz到[9Hz，50Hz]區(qū)間內任一頻率的穩(wěn)步啟動運轉。系統(tǒng)用戶界面包括2位數(shù)碼顯示器、一個運行/停止指示器、電源開/關指示器、6個按鈕鍵盤和電源開關。2位顯示器用于顯示電機當前正在運轉的頻率，6個按鍵分別代表啟動、停機、正點動、反點動、頻率加和頻率減。啟動命令使電機從6Hz以每步0.2Hz的步長穩(wěn)步提升到當前設置頻率上后在該頻率上穩(wěn)定運轉；正點動命令使電機穩(wěn)定在6Hz上正向運轉；反點動命令時，電機轉動頻率與正點動上同，但旋轉方向相反；頻率加命令在電機運轉時使電機以1Hz/s的速率增加運轉頻率和當前預置頻率，在電機停止時僅改變預置頻率；頻率減命令與頻率加命令相反；停機命令則無論電機運行在什么狀態(tài)下，都使電機停止運轉。

    系統(tǒng)類圖如圖1所示。圖中有2個硬件類Button*和Light*，1個主動類Microcontrollor和3個一般類Convertor、Watchdog和Display。Button*類代表所有按鈕;Light*類代表2個發(fā)光數(shù)碼管和1個運行指示燈;主動類Microcontrollor是系統(tǒng)主控模塊，完成所有對象的調度和管理；3個一般類為3個功能獨立的程序模塊。

圖2為系統(tǒng)實施圖。微處理器節(jié)點是系統(tǒng)的主控節(jié)點，采用Atmel 89C52。其內部8KB Flash ROM和128B RAM資源已能滿足系統(tǒng)需要，因此不再增加外部存儲器。與其它節(jié)點的連接完全通過其本身的串并接口就可完成。按鈕節(jié)點代表所有按鈕，在系統(tǒng)變化時也可以用鍵盤取代，本例為6個單獨機械按鈕。顯示節(jié)點代表系統(tǒng)顯示部分，本例為2個數(shù)碼管和1個表示電同運行狀態(tài)的發(fā)光二極管。運行監(jiān)控節(jié)點具有兩部分功能，其一是通過WatchDog技術監(jiān)視微處理器的運行狀況，另一個是監(jiān)視變換器輸出的脈沖寬度。變換器邛樹熊設計為專用電路，通過微處理器并行口接受三相正弦脈沖，根據(jù)電機功率轉換成本相電機線圈所需要的脈沖電壓。三相電機節(jié)點不屬于嵌入式系統(tǒng)本身，但為了說明本嵌入式系統(tǒng)與控制對象關系而布置在同一實施圖中。

圖3為系統(tǒng)有限狀態(tài)機行為模型。系統(tǒng)開機上電后，經過初始化處理自動進入到等待狀態(tài)，在等待狀態(tài)，Microcontrollor對象根據(jù)用戶鍵盤按鈕命令，調度相應的操作對象。當用戶發(fā)出正或反點動命令時，系統(tǒng)進入點動運行態(tài)，此時Convertor對象輸出6Hz正或反相序三相脈沖。當用戶松開正或反點動按鈕時，系統(tǒng)返回等待狀態(tài)。在系統(tǒng)預置頻率設定正確的情況下，用戶按啟動按鈕時，系統(tǒng)先進入到啟動運行態(tài)。在此狀態(tài)時系統(tǒng)從6Hz開始按每步0.2Hz的步長穩(wěn)步增加電機運轉頻率，直到達到預置頻率時進入到穩(wěn)定運行態(tài)。在穩(wěn)定運行態(tài)用戶可以改變預置頻率，步長為1Hz。每次預置頻率的改變事件，都會產生從穩(wěn)定運行態(tài)到啟動運行態(tài)的交替變動。當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，進入到故障處理狀態(tài)處理，完成后自動返回到等待狀態(tài)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)處理

由于本文例舉的系統(tǒng)為一小型變頻調速嵌入式系統(tǒng)，所有三相正弦波形的PWM脈沖都由Atmel 89C52的P1.0～P1.5端口輸出。當把任何頻率正弦波形分解成N等分時（N為6的整數(shù)倍），則要用N個等幅而不等寬的矩形脈沖來等效，每個脈沖區(qū)間如圖4。每個頻率正弦波劃分為6個相序，每個相序為60°。每個相序分為N/6個區(qū)間，每區(qū)間分為7個小區(qū)間。每個區(qū)間采用中心對稱脈沖波形，因此在每個小脈沖邊沿只有一相功率驅動開關換相而使驅動電源電流平衡變化。在任何一相換相時，由軟件自動加死區(qū)保護（死區(qū)時間一相上下臂開關同時關閉，如圖4中豎雙線間部分），以免功率驅動開關在換相瞬間上下臂同時導通而損壞元件。

雖然對于不同頻率每個相序內脈沖區(qū)間數(shù)和占空比有所不同，但輸出的波形卻是相同的。又因為每個區(qū)間的7個小區(qū)間波形是中心對稱的，因此在輸出最后3個小波形時，只要把前3個小波形的占空時間和輸出波形數(shù)據(jù)倒讀并輸出就可以完成。另外，每個脈沖區(qū)間僅需要4個占空定時T區(qū)間，t2，t3，t4（見下節(jié)說明），并且每個相序僅需要4個脈沖波形數(shù)據(jù)就可以了。三相正弦波區(qū)間數(shù)據(jù)關系如表1.

表1 三相正弦波區(qū)間數(shù)據(jù)關系

4.2 系統(tǒng)資源配置

當系統(tǒng)的分析與設計采用面向對象方法時，并不意味著所使用的編程語言也一定是面向對象的。事實上，這種分析設計方法的具體實現(xiàn)可以使用任何編程語言（如匯編語言或C語言）；但是，在程序設計上要盡可能地使用面向對象的思想，如體現(xiàn)程序結構方面的封裝性、消息傳遞等。這種才會使程序結構清晰，便于應付隨著需求變化而產生的不斷更新和系統(tǒng)維護。

在實現(xiàn)本系統(tǒng)時，系統(tǒng)最重要的資源是程序存儲器和定時器。由于采用了上小節(jié)所討論的數(shù)據(jù)處理技術，大大壓縮了數(shù)據(jù)空間。在實現(xiàn)時，把6Hz～50Hz頻率空間劃分成7個大的區(qū)段，使每個區(qū)間的脈沖周期在900μs左右，區(qū)間周期定時使用單片機內部的T2定時器的常數(shù)自動重裝入方式。由于區(qū)間周期與輸出頻率關系是確定的（T區(qū)間=1/Nf頻率），片內T0定時器用于區(qū)間內小區(qū)間t2、t3、t4定時，而t1定時由t1=T區(qū)間-2×t2-2×t3-t4計算得到。T1定時器用于監(jiān)視系統(tǒng)輸出的脈沖寬度，當P1口任何一端輸出脈沖寬度超過1000μs時，系統(tǒng)通過中斷進入故障處理狀態(tài)。另外，系統(tǒng)還設一WatchDog電路X5045，監(jiān)視系統(tǒng)程序運行情況。當程序運行異常時，系統(tǒng)通過復位進入到故障處理狀態(tài)。系統(tǒng)的顯示接口通過單片機串行接口實現(xiàn)。

5 討論

由于嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)工具基本上都是非面向對象的，因此如何使面向對象的分析設計與非面向對象的實現(xiàn)工具之間的銜接就成為了一個值得探討的問題。另外，嵌入式系統(tǒng)一般都具有不同于大型軟件系統(tǒng)的具體要求，如實時性、可靠性、機械尺寸、能耗（如電池供電）要求等，因此在實現(xiàn)系統(tǒng)時還應根據(jù)開發(fā)者的經驗進行特別處理。但是，采用面向對象建模后再實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)的方法，為系統(tǒng)建立了可視化的組織結構和行業(yè)結構，實現(xiàn)了用戶需求的可視化表示，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，很好地適應了用戶需求的變化。