摘   要： 以自主開發(fā)的基于Freescale HCS08的運(yùn)動(dòng)控制嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)，以用戶對數(shù)控工作臺(tái)的需求為基礎(chǔ),采用統(tǒng)一建模語言UML建立數(shù)控工作臺(tái)下位機(jī)用例圖,根據(jù)對用例圖的分析建立系統(tǒng)下位機(jī)狀態(tài)模型，明確各個(gè)狀態(tài)模型之間相互轉(zhuǎn)移的條件和約束關(guān)系,并對軟件總體流程做較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)出來的下位機(jī)程序不僅能夠滿足用戶對系統(tǒng)功能的需要,而且具有較高的可靠性和可維護(hù)性。
關(guān)鍵詞： HCS08; 數(shù)控工作臺(tái)； 統(tǒng)一建模語言； 用例； 狀態(tài)模型

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的成熟，人們開始將運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于測量設(shè)備，產(chǎn)生了數(shù)控工作臺(tái)。數(shù)控工作臺(tái)是利用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以運(yùn)動(dòng)到需要的位置，大大提高了工件測量的效率。
　UML[1]是一種可用于大型系統(tǒng)建模的統(tǒng)一建模語言, 它不僅支持面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì), 還支持軟件開發(fā)過程,利用不同的模型來描述一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)在不同生命周期中的各種靜態(tài)結(jié)構(gòu)方面和動(dòng)態(tài)行為方面的特征, 為任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的系統(tǒng)建模，同時(shí)提供模型擴(kuò)展和管理等方面的支持。
　本文針對數(shù)控工作臺(tái)的功能特點(diǎn)，以自主開發(fā)的基于HCS08運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為平臺(tái)，并以UML為工具，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。
1 數(shù)控工作臺(tái)控制原理
　工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由手柄、載物臺(tái)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)以Freescale HCS08型單片機(jī)為核心的運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)，通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)對載物臺(tái)上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)的控制，以PC作為上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速、自動(dòng)校零、自動(dòng)找零、位置顯示等。
　上下位機(jī)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。工作臺(tái)工作時(shí)，用戶將測量工件（如絲桿）放在載物臺(tái)上，通過操作手柄讓載物臺(tái)走到測量范圍內(nèi)，通過手柄的高低速按鍵控制電機(jī)的高速或低速運(yùn)動(dòng)，方便測量時(shí)的粗調(diào)和微調(diào)。
2 數(shù)控工作臺(tái)功能分析
　本文的主要任務(wù)是根據(jù)用戶對系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析，通過對整個(gè)系統(tǒng)框架進(jìn)行構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與建模。下位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中間層，主要功能是根據(jù)接收的數(shù)據(jù)和指令控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。通過上位機(jī)界面可以設(shè)定各軸的速度和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以及實(shí)時(shí)位置顯示、零點(diǎn)位置顯示等，具體可為自動(dòng)找零、校零、手動(dòng)操作、伺服報(bào)警信號(hào)等。
　對于下位機(jī)，參與者包括用戶、上位機(jī)、限位開關(guān)、手柄、伺服電機(jī)。用戶除了可以通過上位機(jī)軟件顯示零點(diǎn)位置、實(shí)時(shí)位置之外，還可以通過調(diào)速界面調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，故下位機(jī)的用戶用例為手柄控制。上位機(jī)和下位機(jī)的連接是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的通道。伺服電機(jī)是動(dòng)作的執(zhí)行者，根據(jù)下位機(jī)的指令進(jìn)行動(dòng)作，其用例主要是高低速度控制。限位開關(guān)的用例主要包括I/O信號(hào)、限位、故障報(bào)警。
　根據(jù)上面的用例分析，使用UML構(gòu)造下位機(jī)的用例圖[6]，如圖1所示。

3 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)
3.1下位機(jī)軟件狀態(tài)模型
　通過對數(shù)控工作臺(tái)下位機(jī)用例圖的分析可以將下位機(jī)軟件按狀態(tài)分為幾個(gè)模塊：自動(dòng)找零點(diǎn)狀態(tài)、手動(dòng)控制狀態(tài)、校零狀態(tài)、故障狀態(tài)等。采用UML狀態(tài)圖可以將參與交互的模塊及模塊之間的消息交互表示清楚，可以比較直觀、高效地建立軟件的狀態(tài)模型。建模如圖2所示。

　系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)首先進(jìn)入自動(dòng)找零狀態(tài)。在自動(dòng)找零狀態(tài)下,下位機(jī)主程序讀取Flash存儲(chǔ)[3]的信息，對3個(gè)軸的電機(jī)按照先Z軸找零,再X軸、Y軸同時(shí)找零的順序發(fā)脈沖，使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到工作起點(diǎn)位置。
　一旦自動(dòng)找零完成之后，系統(tǒng)狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到手動(dòng)控制狀態(tài)中去。例如通過手柄控制讓電機(jī)走到某個(gè)位置，同時(shí)通過手柄上的高低速切換按鍵讓工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高或低速運(yùn)動(dòng)。
　校零是設(shè)定當(dāng)前的位置為零點(diǎn)位置，通過上位機(jī)操作將數(shù)據(jù)寫入Flash中，在下次上電工作時(shí)工作臺(tái)會(huì)在自動(dòng)找零時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行到這個(gè)設(shè)定的零點(diǎn)位置。由圖2可以清楚地看到,整個(gè)狀態(tài)模型可以分為4個(gè)部分：自動(dòng)找零狀態(tài)、手動(dòng)控制狀態(tài)（包括高低速轉(zhuǎn)換、三軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向）、校零狀態(tài)和故障狀態(tài)。其中故障狀態(tài)可以與其他的狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)移條件發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而手動(dòng)控制狀態(tài)只能與校零狀態(tài)和故障狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)移條件發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，其內(nèi)部各個(gè)狀態(tài)之間不能發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，這是由工作臺(tái)的工作特性所決定的。從上電開始工作，在同一時(shí)間內(nèi)只允許進(jìn)行一種活動(dòng)，只有在當(dāng)前活動(dòng)結(jié)束后才允許進(jìn)行其他的活動(dòng)，這種工作臺(tái)的工作特性就可以用UML狀態(tài)圖[6]清晰地表現(xiàn)出來，使得任何人都能對系統(tǒng)軟件模型有比較直觀的認(rèn)識(shí)。
   根據(jù)狀態(tài)來劃分整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)[2]，可以有效地對系統(tǒng)工作進(jìn)行掌控，防止軟件功能互相耦合而引起邏輯混亂。簡單來說，當(dāng)系統(tǒng)正處在手動(dòng)控制中，如果此時(shí)收到校零指令，系統(tǒng)就可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移到校零狀態(tài)，工作臺(tái)會(huì)按順序依次走到各軸的兩端限位位置，將兩端限位之間的距離保存到Flash中以便下次讀取，這樣就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
3.2 下位機(jī)軟件算法活動(dòng)模型
   鑒于數(shù)控工作臺(tái)在日常生產(chǎn)中對于控制的要求，以及Freescale HCS08的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)軟件算法程序時(shí)，對電機(jī)發(fā)脈沖采用PWM重載中斷的方式,這樣極大地發(fā)揮了芯片的性能，并且提高了程序的可靠性。下面采用UML活動(dòng)圖將主循環(huán)流程按照時(shí)間的順序展開，如圖3所示。

   從圖3中能夠清楚地看到下位機(jī)程序就是一直循環(huán)采集和事件處理的過程。系統(tǒng)一上電首先對硬件模塊和軟件功能進(jìn)行初始化設(shè)置，保證程序處在可運(yùn)行狀態(tài)。然后程序進(jìn)入主循環(huán)，先進(jìn)行事件采集，包括讀寫Flash、串口數(shù)據(jù)接收、限位傳感器輸入信號(hào)以及伺服報(bào)警信號(hào)采集。如果沒有事件發(fā)生，則程序一直處于事件采集狀態(tài)；如果有事件發(fā)生，則對采集到的事件進(jìn)行分析決策。事件決策則是對當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行判斷和轉(zhuǎn)移，決定哪些事件可以被執(zhí)行。最后事件分配和事件處理則是將被允許執(zhí)行的事件分配給相關(guān)的執(zhí)行函數(shù)，調(diào)用相關(guān)函數(shù)來對事件進(jìn)行處理，完成后返回到主循環(huán)開始，而程序也因此周而復(fù)始地一直執(zhí)行下去。
　由此可以看出，在程序中事件按從總體到個(gè)別的順序被執(zhí)行，每一步都有明確的目的性和層次性，條理清晰，邏輯清楚，這樣就使得程序在編制和維護(hù)時(shí)簡單易行。
　由于下位機(jī)采用的Freescale HCS08型單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，其運(yùn)算處理速度能達(dá)到每秒20 M條指令，這樣就使得下位機(jī)程序?qū)ν獠渴录辛溯^高的響應(yīng)速度和處理速度，其實(shí)時(shí)性可以比較好地滿足數(shù)控工作臺(tái)的應(yīng)用需求。
3.3 下位機(jī)軟件通信模塊設(shè)計(jì)
   Freescale HCS08單片機(jī)采用異步通信RS-232作為串行通信協(xié)議,其適用于設(shè)備之間的通信距離不大于15 m、傳輸速度最大為20 KB/s的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)不歸零NRZ（Non Return to Zero）的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
    本文介紹了數(shù)控工作臺(tái)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)與建模，分析和構(gòu)建了下位機(jī)軟件的主要功能、實(shí)現(xiàn)方式和軟件算法，并通過UML圖分別展示了下位機(jī)供需用例圖、軟件狀態(tài)模型和主循環(huán)活動(dòng)模型。使用UML圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)使得軟件層次更加清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可維護(hù)性強(qiáng)，充分體現(xiàn)出UML圖[7]在面向?qū)ο蟮能浖幊讨衅鸬降闹匾饔?。同時(shí),本文所敘述的軟件設(shè)計(jì)與建模的方法, 對其他下位機(jī)的軟件開發(fā)也有很好的借鑒作用。
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