摘 要：嵌入式控制器是各種工業(yè)控制系統(tǒng)的核心，它是一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)。本文針對(duì)一種基于嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，提出了其嵌入式控制器的設(shè)計(jì)方法。本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，說(shuō)明如何采用UML-RT和Platform方法設(shè)計(jì)嵌入式控制器，給出了嵌入式控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟和具體內(nèi)容。 關(guān)鍵詞：嵌入式; 遠(yuǎn)程控制; UML; 建模 1 引言 　　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(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵從嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有別于一般的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮軟件的響應(yīng)速度，內(nèi)存空間占用，電源消耗等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮把軟件和硬件的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體。嵌入式系統(tǒng)趨向于采用高平臺(tái)（Platform）和采用面向?qū)ο蟮腢ML-RT來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)嵌入式控制器時(shí)，采用UML-RT和平臺(tái)（Platform）進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使嵌入式控制器有一個(gè)彈性的架構(gòu)，能夠方便快速的改變或擴(kuò)充功能，滿足系統(tǒng)要求。 2 UML-RT和平臺(tái) 　　2.1 UML-RT與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　UML （Unified Modeling Language）是面向?qū)ο蟮慕ＵZ(yǔ)言，由Grady Booch，James Rumbaugh和Ivan Jacobson提出，并于1997年被OMG（Object Management Group）組織采納為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。UML用一套標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)體系來(lái)描述模型，可以用它來(lái)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)特征，系統(tǒng)的行為和動(dòng)態(tài)特征。它從不同的視角為系統(tǒng)架構(gòu)建模，形成系統(tǒng)的不同視圖（view）。作為一個(gè)通用的建模語(yǔ)言，UML提供了良好的擴(kuò)展機(jī)制，如版類（Stereotype，加標(biāo)簽值（tagged values），約束（constraints）等，允許UML針對(duì)專門的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行建模。 　　利用UML擴(kuò)展機(jī)制，專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的UML-RT有三個(gè)基本的結(jié)構(gòu)：容器（capsules），端口（ports），連接器（connectors）。 　　2.2平臺(tái)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　我們?cè)诔橄髮哟紊蠈?duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行描述，并對(duì)這種描述提供平臺(tái)支持，把嵌入式軟件和硬件的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體來(lái)認(rèn)識(shí)。基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想在PC設(shè)計(jì)上用了多年，近年來(lái)，這個(gè)方法得到普遍化，形式化，適用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。用平臺(tái)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)建模，解決下列設(shè)計(jì)難題： 　　1. 應(yīng)用程序的QoS需求。 　　2. 資源組，APIs和QoS提供的服務(wù)。 　　3. 不同抽象層的關(guān)系，尤其是資源的映射和使用。 　　在嵌入式的軟硬件設(shè)計(jì)流程中，對(duì)關(guān)鍵的連接點(diǎn)定義平臺(tái)。每個(gè)平臺(tái)表示設(shè)計(jì)流程中的一層。服務(wù)質(zhì)量（QoS）參數(shù)，比如CPU的處理速度，Il0帶寬等，要在相關(guān)的平臺(tái)作好定義。在理想情況下，提供QoS的平臺(tái)的性能參數(shù)至少要滿足要求QoS的平臺(tái)的性能參數(shù)。 　　基于平臺(tái)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本思想是平臺(tái)能支持類似或相關(guān)的應(yīng)用程序，有些應(yīng)用程序可以出現(xiàn)在平臺(tái)被開(kāi)發(fā)出來(lái)后。為支持這些不可預(yù)見(jiàn)的程序，平臺(tái)服務(wù)必須有擴(kuò)展性。 3 嵌入式控制器的需求分析 　　我們利用UML的用例圖（use case）來(lái)對(duì)嵌入式控制器進(jìn)行需求分析。用例圖從用戶的觀點(diǎn)描述了系統(tǒng)硬件和軟件的功能。按照第二章對(duì)嵌入式控制器的功能描述，我們得出系統(tǒng)的用例圖，如圖1所示。其中包括七個(gè)不同的用例和兩個(gè)不同的角色。 [align=center] 圖1 嵌入式控制器的用例圖[/align] 　　用戶角色可進(jìn)行查看數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)，開(kāi)啟和關(guān)閉控制對(duì)象（智能儀表），控制對(duì)象可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，相應(yīng)開(kāi)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(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作。 4 平臺(tái)（platform）的劃分和設(shè)計(jì) 　　在完成了系統(tǒng)的需求分析之后，開(kāi)始劃分本平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所謂本平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是指平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)各級(jí)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(lái)劃分多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。嵌入式控制器平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 　　我們把嵌入式控制器系統(tǒng)分為3個(gè)抽象層次：體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)（ARC platform），應(yīng)用程序編程接口平臺(tái)（API platform），定制的應(yīng)用程序平臺(tái)（ASP）。ARC平臺(tái)包含了微處理器存儲(chǔ)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Rabbit2000微處理器，F(xiàn)LASH，SRAM，RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)控制芯片等一族“微架構(gòu)”組成。API平臺(tái)包括RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，嵌入式Web服務(wù)器，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。API平臺(tái)是軟件抽象層，把ARC平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝。API平臺(tái)提供接口服務(wù)，并對(duì)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(tái)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(guò)瀏覽器查看和設(shè)定智能儀表的控制參數(shù)。 [align=center] 圖2 平臺(tái)的劃分[/align] 　　在每個(gè)平臺(tái)都有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求。在ARC平臺(tái)對(duì)功耗，存儲(chǔ)量，處理速度，通訊能力等都有要求。Rabbit2000，RTL8019AS等芯片可以很好的滿足這些要求。在API平臺(tái)對(duì)運(yùn)行任務(wù)的個(gè)數(shù)，任務(wù)切換時(shí)間等也有要求，嵌入式Web服務(wù)器和RTOS—µc/OS能滿足這些要求。在ASP平臺(tái)要求進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)查看和參數(shù)設(shè)定。采用lava Applet能很好的做到這些。 　　對(duì)嵌入式控制器系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)的劃分，并且對(duì)各個(gè)平臺(tái)提出相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)的初始階段對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有全局的觀念，由于各個(gè)平臺(tái)之間相對(duì)獨(dú)立，對(duì)以后出現(xiàn)的新的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)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(jì) 　　在對(duì)嵌入式控制器劃分平臺(tái)后，我們可以用UML-RT的符號(hào)體系對(duì)嵌入式控制器系統(tǒng)進(jìn)行建模。我們把建模的過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一階段是考慮系統(tǒng)的對(duì)外接口。第二階段是考慮系統(tǒng)內(nèi)部的平臺(tái)建模。 　　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(gè)：一個(gè)是與控制對(duì)象即智能儀表進(jìn)行通訊。一個(gè)是和用戶進(jìn)行交互。為了支持用戶交互和控制對(duì)象通訊，我們定義了兩個(gè)容器（capsule） u:UserInterface和t :Transfer Data。容器p:Process Data則是用來(lái)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)，我們對(duì)t:Transfer Data進(jìn)一步細(xì)化，可以得到圖3。 [align=center] 圖3 TransferData容器的結(jié)構(gòu)[/align] 　　圖3中可以看到數(shù)據(jù)傳送可通過(guò)并口和串口進(jìn)行，這種傳送和處理器Pl即Rabbit2000耦合的很緊，我們用UML-RT的擴(kuò)展符號(hào)表示。同樣，《SW P1》表示在處理器P1上執(zhí)行的處理與控制對(duì)象通訊的程序。我們用這種方式還可以對(duì)u :User Interface和p :Process Data進(jìn)行細(xì)化。在第一階段的基礎(chǔ)之上，我們結(jié)合前面對(duì)平臺(tái)的劃分，進(jìn)行平臺(tái)建模。系統(tǒng)的ARC平臺(tái)的建模如圖4所示。 [align=center]　 圖4 ARC平臺(tái)的UML-RT建模[/align] 　　圖4表示了ARC平臺(tái)的基本組件和它們的拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)，利用這個(gè)圖可以進(jìn)一步的進(jìn)行對(duì)象建模。這個(gè)模型提供了一個(gè)框架，并可以方便的增加，移動(dòng)，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(tái)處于ARC平臺(tái)和ASP平臺(tái)之間，包括RTOS，嵌入式Web服務(wù)器，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。從UML-RT角度看，API平臺(tái)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(guò)連接器相連。 　　我們把API平臺(tái)表現(xiàn)出來(lái)，如圖5所示。ARCProxy從ASP容器的端口中接收調(diào)用信息，然后把這個(gè)信息通過(guò)RTOS API送到合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，讓設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序去和ARC平臺(tái)通訊。異步和同步的通訊可以通過(guò)這個(gè)方式進(jìn)行。從圖5還可知，驅(qū)動(dòng)程序和RTOS是緊密相關(guān)的。ASP平臺(tái)的建模同樣可以通過(guò)類似的方式表現(xiàn)。 [align=center] 圖5 ARC容器與ASC容器的通訊的實(shí)現(xiàn)[/align] 　　綜上所述，結(jié)合UML-RT和Platform進(jìn)行嵌入式控制器的設(shè)計(jì)，我們看到它們能夠很好的對(duì)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(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程出現(xiàn)的新的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)修改具有很好的適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)者可以及早的發(fā)現(xiàn)并更正錯(cuò)誤。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn) 　　本文首先對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論中的UML-RT和平臺(tái)（Platform）進(jìn)行了介紹，然后結(jié)合嵌入式控制器，作者具體闡述了UML-RT和平臺(tái)思想在嵌入式控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，給出了嵌入式控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟和具體內(nèi)容。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 康軍,戴冠中.基于Internet的工業(yè)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程,2004.7: 16-20 　　[2] 王勇.嵌入式Internet的實(shí)現(xiàn)及其安全性問(wèn)題的研究[D].浙江大學(xué)博士論文,2003 　　[3] 李鳳保.網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)[M]. 四川大學(xué)出版社,2004.5 　　[4] 董小國(guó),王蓉. 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