专利名称：一种嵌入式控制领域元模型抽象方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于控制领域，尤其涉及一种嵌入式控制领域元模型抽象方法及系统。
背景技术：
由于嵌入式系统的固有特性以及控制领域应用的日趋复杂化，嵌入式控制系统面临着模块化、重用性和系统维护等方面的问题。面向领域建模方法被誉为“下一代建模方法”，它将嵌入式软件的开发重心由底层代码转变为领域模型。该方法用统一的元模型来提高软件的复用度，提高开发效率，方便系 统维护。然而在建立嵌入式控制领域元模型的过程中，存在以下问题(1)如何分解嵌入式控制系统，选择合适的角度来解决系统的复杂性问题；(2)构建的元模型通用性较差。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种嵌入式控制领域元模型抽象方法，旨在解决构建领域元模型过程复杂，而且构建的元模型通用性差的问题。本发明实施例是这样实现的，一种嵌入式控制领域元模型抽象方法，所述方法包括下述步骤从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其包括功能层和实现 层；根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；建立所述定义的各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型。本发明实施例的另一目的在于提供一种嵌入式控制领域元模型抽象系统，所述系统包括解析单元，用于从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其包括 功能层和实现层；组成部件定义单元，用于根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；组成部件特性确定单元，用于确定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；以及组成部件关联关系建立单元，用于建立所述定义的各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型。在本发明实施例中，从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其包括功能层和实现层；根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确 定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；建立所述定义的 各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型，从而实现控制领域应用的快速定制， 生成的元模型通用性较强，提高开发效率，缩短开发周期。
图1是本发明实施例提供的嵌入式控制领域元模型抽象方法的实现流程图；图2是本发明实施例提供的嵌入式控制领域元模型抽象示意图；图3是本发明实施例提供的嵌入式控制领域元模型抽象系统的结构框图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。在本发明实施例中，从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示 所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其 包括功能层和实现层；根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确 定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；建立所述定义的 各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型。图1示出了本发明实施例提供的嵌入式控制领域元模型抽象方法的实现流程，其 具体的实现如下所述在步骤S101中，从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析。在本发明实施例中，对控制系统进行多方面多角度的解析，如图2所示，尤其是本 发明实施例所支持的嵌入式控制系统，包括横向(x)、纵向(y)和第三方向(z)，其中，横向 表示所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层 次，其包括功能层和实现层；第三方向为所述控制系统的边界，所述控制系统的边界将所述 控制系统分解为系统内部和系统外部，所述系统内部抽象为控制单元，所述系统外部抽象 为外围设备，下述实施例中的说明和描述都是以对控制系统的解析为基础进行的，在此不 用以限制本发明。其中，在本发明实施例中，上述控制单元具体包括功能函数、对象、模块以及处理 器；而外围设备包括环境对象、外部数据或信息以及外部约束条件，在此仅为本发明的一个 实施例，不用以限制本发明。在本发明实施例中，功能层用以标识所述控制系统所要实现的功能；其体现在系 统结构上为模块、变量、通讯结构以及各部分之间的组合和分层关系；其体现在系统行为 上为数据转换、状态、在各个状态下所进行的活动、时间相关、通讯协议、步调以及任务分 配；所述实现层用以标识所述控制系统运行的物理环境和运行平台，所述功能层到实现层 的映射通过任务部署实现，决定资源如何分配和利用，对控制系统性能提决定性的作用，其 中，从系统结构上，控制系统包括物理资源、数据和硬件平台等；在系统行为上，实现层具体 体现在任务分配、性能、运行错误和底层通讯协议等，在此仅为对上述附图的说明，不用以
5限制本发明。在步骤S102中，根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义。在本发明实施例中，对控制系统的组成部件进行定义的步骤是通过分别控制在功 能层对所述控制单元进行解析和控制在实现层对所述控制单元进行解析实现的，其中，在 功能层对所述控制单元进行解析的结果包括人机界面、控制策略、数据存储和轴配置；在实现层对所述控制单元进行解析的结果包括处理器、操作系统、存储器和底层通讯协议，下 述有详细的实施例描述，在此不再赘述，但上述仅为本发明的一个实施例，不用以限制本发 明。在本发明实施例中，对控制系统的各个部件进行定义，得到组成控制系统的组成部件外围设备部件、运行平台部件、人机界面部件、数据处理模块以及轴部件和轴组部件， 在此仅为本发明的一个实施例，不用以限制本发明。在步骤S103中，确定定义的各个组成部件的特性。在本发明实施例中，各个组成部件的特性包括输入、输出和内部特性，其中，输入特性为与控制系统输入相关的特性，输出特性为与控制系统输出相关的特性，基于所述输 入特性和输出特性之外的就是内部提特性。其中，每个外围设备都有输入特性和输出特性，控制单元的特性包括输入、输出特性、变换函数以及参数等。在步骤S104中，建立定义的各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型。在本发明实施例中，在所述系统结构和系统行为描述上建立所述定义的各个组成部件的关联关系，所述系统行为描述包括数据转换、状态、在各个状态下所进行的活动、时 间相关、通讯协议、步调以及任务分配；在功能层和实现层对控制系统进行分解，建立定义 的各个组成部件的关联关系。作为本发明一个实施例，在功能层对所述控制单元进行解析的结果包括人机界面、控制策略、数据存储和轴配置，下述进行详细的描述，其中人机界面部件由一个或多个窗体组成，此窗体可以是菜单形式，也可以是无菜单形式，从而将有菜单的窗体划分为窗口型，将无菜单的窗体划分为对话框型，每个窗体可以 包含一个或多个控件，其中，控件的种类可以有多种，例如静态的、动态的、按钮型和图表型 的，在此不再赘述，控件即为普通意义上的功能控件，但不用以限制本发明。控制策略部件可以采用分层状态机理论划分为不同的状态，控制系统在每个状态 下执行不同的操作，其中，按照优先状态机理论把状态机划分为初始状态、终止状态、中间 状态、子状态和状态转换等。为了提高控制系统的模块化程度，将每个数据处理算法封装成 一个独立的模块，常用的算法有傅立叶变换、比例积分微分控制和单变量统计过程控制等。 对于变量间比较复杂的情况，可以采用模糊控制、神经网络、主元分析、独立元分析等算法 去除变量中的相关关系，达到更好的控制效果；对于用户自定义模块可以通过基本模块和 符合模块实现。数据存储部件对于控制系统，其结构和关系相对简单，其数据存储部件能实现关 键数据的存储即可，具备一定的时效性。轴配置部件根据单轴和多轴插补的配置需求，将轴配置部件划分为单轴配置部件和轴组配置部件。将主轴和运动轴统一抽象为轴，如果有两个或两个以上的轴需要协调动作，则构成轴组。其中，借助于轴组配置，可在一台控制器上同时实现各种类型的运动，例 如，轴可以给定速度连续运动、轴以给定距离运动、机械回零、轴运动至指定的绝对位置、直 线插补、圆弧插补等。 上述仅为本发明的一个实施例，在此不用以限制本发明。在本发明实施例中，在生成的控制领域元模型中，将外围设备统一抽象为 Devices，通过设备类型属性建立设备底层驱动程序的链接，如果控制系统中所用到的设备 又增加了新的类型，只需增加相应设备的驱动即可，上述元模型不需要更改，对于所有的设 备，都需要定义其名称和外观，以便元模型更加直观、更贴近具体的应用。每个控制系统的 设备都有数据交互接口，具体包括数据输入接口和数据输出接口，外围设备通过该接口与 控制单元进行数据通讯。在本发明实施例中，控制系统可以包含一个或多个控制单元，各个控制单元之间的通讯方式由总线协议决定。一个控制单元可以包含多个处理器，每个处理器上可以运动 多个进程。通过操作系统属性，用户可以选择属性列表中的某一种操作系统，或者添加自定 义的操作系统。对于每一种操作系统，用户可以设定他的任务调度算法，操作系统还可提供 多种调度策略。在本发明实施例中，由于控制系统的各个部件之间的关联关系与控制系统的系统行为紧密联系。系统行为描述包括数据转换、状态、在各个状态下所进行的活动、时间相关、 通讯协议、步调以及任务分配，其中转换不仅包括输入信号和输出信号紧密相关的数模转换或模数转换，还包括数据处理和控制决策，数据处理时从数据中提取有用的信息，为控制策略提供有效的依据。在上 述元模型中，将数模转换或模数转换抽象为外围设备。当然，该转换还包括对数控代码的编 译。状态和在各个状态下所进行的活动是基于分层有限状态机理论描述的，其中，分层有限状态机理论是对有限状态机理论的扩充，有限状态机是一种具有离散输入输出系统 的数学模型，有限状态机通过一组可能的状态来描述系统行为，系统在任何时刻只能处于 某一种状态，通过事件驱动的方式实现状态间的转换，并在每个状态下都描述了系统发生 的操作。在本发明实施例中，在控制系统运行过程中，需要对控制系统的时间因素进行预设和规定。在上述元模型中，将时间抽象为频率/周期、定时器、延时时间、截止时间和执 行时间。但是无论哪种时间，在控制系统运行时都表现为时间事件，只是表达方式不同，目 的是使用户能够根据不同的用途采用较为方便的设定方式。例如对于数据采集模块需 要谁的那个每个端口或设备的数据读取时间间隔，可以通过该端口或设备的频率属性来表 达；对于某个时刻触发的状态或行为可由定时器来发送时间事件；在某一行为发生后，需 要间隔一段时间再发生另一行为时，需要用到延时器；而当系统必须在某一时刻之前完成 特定的动作时，则用截止时间来表达，对于系统必须在特定的时间段内完成特定的动作，则需要执行时间来约定。根据控制系统的应用规模的大小，可以将控制系统分为独立式和分布式，独立式 不涉及网络，仅对单个设备进行控制。而分布式控制系统通常有客户/服务器式、对等式以及混合式等结构，在这些结构中，每个网络节点都是服务器端，为其他节点提供数据，同时 又是客户端，从其他节点获取数据。其中，通讯方式可以有两种，分别是控制系统与外部环 境之间的通讯和控制系统内部各模块之间的通讯，其通讯协议可以是普通意义上的协议， 也可以是其他，在此不用以限制本发明。步调是指控制系统组成部件的行为在执行顺序或时间上的关系，例如先后关系、 并行开始、并行结束、延时以及此类组合等。任务部署即控制系统硬件和软件之间的映射关系，任务部署规定了软件任务在硬件上的分配结构。任务分配的力度由映射关系来决定，可以是整个系统只有一个进程，或者 多个软件模块运行在同一个进程，也可以把一个操作分成多个进程来运行。 上述仅为本发明的一个实施例，在此不用以限制本发明。图3示出了本发明实施例提供的嵌入式控制领域元模型抽象系统的结构框图，为 了便于说明，图中仅给出了与本发明实施例相关的部分。解析单元11从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示所述控 制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其包括功 能层和实现层；组成部件定义单元12根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件 进行定义；组成部件特性确定单元13确定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括 输入、输出和内部特性；组成部件关联关系建立单元14建立所述定义的各个组成部件的关 联关系，从而生成控制领域元模型。在本发明实施例中，第一定义模块121控制在功能层对所述控制单元进行解析， 所述在功能层对所述控制单元进行解析的结果包括人机界面、控制策略、数据存储和轴配 置；第二定义模块122控制在实现层对所述控制单元进行解析，所述在实现层对所述控制 单元进行解析的结果包括处理器、操作系统、存储器和底层通讯协议。在本发明实施例中，第一建立模块141在所述系统行为描述上建立所述定义的各 个组成部件的关联关系，所述系统行为描述包括数据转换、状态、在各个状态下所进行的活 动、时间相关、通讯协议、步调以及任务分配；第二建立模块142在所述功能层和实现层对 控制系统进行分解，建立所述定义的各个组成部件的关联关系。上述仅为本发明的实施例，其具体的实施如方法实施例所描述，在此不再赘述，但 不用以限制本发明。在本发明实施例中，从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示 所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其 包括功能层和实现层；根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确 定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；建立所述定义的 各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型，从而实现控制领域应用的快速定制， 生成的元模型通用性较强，提高开发效率，缩短开发周期。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种嵌入式控制领域元模型抽象方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示所述控制系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其包括功能层和实现层；根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；建立所述定义的各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三方向为所述控制系统的边界，所述 控制系统的边界将所述控制系统分解为系统内部和系统外部，所述系统内部抽象为控制单 元，所述系统外部抽象为外围设备。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据对所述控制系统的解析，对控制系 统的组成部件进行定义的步骤具体包括下述步骤控制在功能层对所述控制单元进行解析； 控制在实现层对所述控制单元进行解析。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在功能层对所述控制单元进行解析的 结果包括人机界面、控制策略、数据存储和轴配置；所述在实现层对所述控制单元进行解析的结果包括处理器、操作系统、存储器和底层 通讯协议。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述组成部件包括外围设备部件、运行平台 部件、人机界面部件、数据处理模块以及轴部件和轴组部件。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述定义的各个组成部件的关联 关系的步骤具体包括下述步骤在所述系统结构和系统行为描述上建立所述定义的各个组成部件的关联关系，所述系 统行为描述包括数据转换、状态、在各个状态下所进行的活动、时间相关、通讯协议、步调以 及任务分配；在所述功能层和实现层对控制系统进行分解，建立所述定义的各个组成部件的关联关系。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能层用以标识所述控制系统所要实 现的功能；所述实现层用以标识所述控制系统运行的物理环境和运行平台，所述功能层到 实现层的映射通过任务部署实现。
8.一种嵌入式控制领域元模型抽象系统，其特征在于，所述系统包括解析单元，用于从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析，所述横向表示所述控制 系统的构成，其包括系统结构和系统行为；所述纵向表示所述控制系统的层次，其包括功能 层和实现层；组成部件定义单元，用于根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；组成部件特性确定单元，用于确定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输 入、输出和内部特性；以及组成部件关联关系建立单元，用于建立所述定义的各个组成部件的关联关系，从而生 成控制领域元模型。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述组成部件定义单元具体包括第一定义模块，用于控制在功能层对所述控制单元进行解析，所述在功能层对所述控 制单元进行解析的结果包括人机界面、控制策略、数据存储和轴配置；以及第二定义模块，用于控制在实现层对所述控制单元进行解析，所述在实现层对所述控 制单元进行解析的结果包括处理器、操作系统、存储器和底层通讯协议。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述组成部件关联关系建立单元具体包括第一建立模块，用于在所述系统行为描述上建立所述定义的各个组成部件的关联关 系，所述系统行为描述包括数据转换、状态、在各个状态下所进行的活动、时间相关、通讯协 议、步调以及任务分配；以及第二建立模块，用于在所述功能层和实现层对控制系统进行分解，建立所述定义的各 个组成部件的关联关系。
全文摘要
本发明适用于控制领域，提供了一种嵌入式控制领域元模型抽象方法及系统，所述方法包括下述步骤从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析；根据对所述控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确定所述定义的各个组成部件的特性，所述特性包括输入、输出和内部特性；建立所述定义的各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型。在本发明实施例中，从横向、纵向和第三方向对控制系统进行解析；根据对控制系统的解析，对控制系统的组成部件进行定义；确定所述定义的各个组成部件的特性；建立所述定义的各个组成部件的关联关系，从而生成控制领域元模型，从而实现控制领域应用的快速定制，提高开发效率，缩短开发周期。
文档编号G05B19/04GK101799667SQ20091018943
公开日2010年8月11日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者宋柱梅 申请人:深圳信息职业技术学院