摘  要: 以基于Windows CE操作系統(tǒng)運行的應(yīng)用軟件作為上位機，以自主開發(fā)的通用運動控制器作為下位機，以用戶對連續(xù)式單針絎縫機的需求為基礎(chǔ)，構(gòu)建成連續(xù)式單針絎縫機控制系統(tǒng)。采用統(tǒng)一建模語言UML建立連續(xù)式單針絎縫機上位機用例圖，并根據(jù)對用例圖的分析建立上位機軟件層次模型。詳細(xì)分析了層次模型之間相互轉(zhuǎn)換的條件和約束關(guān)系,使程序具有較高的可靠性和簡潔的可維護性。
關(guān)鍵詞： Windows CE; 連續(xù)式單針絎縫機; 通用運動控制器; 統(tǒng)一建模語言

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對自動化系統(tǒng)的整體性設(shè)計提出了很高的要求。在中國傳統(tǒng)的紡織業(yè)中，隨著電腦絎縫機的廣泛應(yīng)用，客戶對絎縫機的自動化程度要求越來越高，連續(xù)式電腦絎縫機也就應(yīng)運而生。
　傳統(tǒng)的電腦絎縫機必須由人工通過夾布架把需要絎縫的布料夾好，然后放到絎縫機上進行絎縫，等花樣絎縫完成后，再手動把布料拆下，卷起。這種絎縫機操作起來費時費力，需要較多的人一起配合工作。而新型的連續(xù)式絎縫機則用氣動裝置控制機械夾子替代了夾布架，當(dāng)要入布時先打開入布閘門，然后打開夾子，卷布裝置拖動布料到達要求的位置，關(guān)閉夾子，張緊布料，關(guān)閉入布閘門，入布過程完成。絎縫完成以后先打開入布閘門，松開夾子，卷布裝置就可以把已經(jīng)絎縫完成的布料卷起，最后通過切刀把布裁開，一塊布料的整個絎縫過程就完成了。整個過程只需要一個人在控制面板上操作就能完成，省時省力。
　本文針對連續(xù)式電腦絎縫機的特點，采用了基于Embedded Visual C++開發(fā)的上位機軟件和自主研發(fā)的通用運動控制器來實現(xiàn)絎縫功能，滿足實際生產(chǎn)需要。
1 連續(xù)式絎縫機控制原理
　整個絎縫機運動系統(tǒng)主要由基于嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE的上位機程序、基于Motorola DSP的通用運動控制器、伺服電機和傳感器等外部執(zhí)行裝置組成。在這個系統(tǒng)中，上位機程序就像人的大腦一樣處理各種指令信息以及可能發(fā)生的異常；通用運動控制器則類似于人體的神經(jīng)中樞，將上位機發(fā)送的指令傳送給外部執(zhí)行裝置，并將執(zhí)行裝置的反饋信息傳回到上位機程序；外部執(zhí)行裝置則相當(dāng)于四肢和感覺器官，根據(jù)上位機的指令來完成相應(yīng)的動作，并把外部的一些信息反饋回去。絎縫機的工作原理是用戶在計算機上設(shè)計出要絎縫的花樣，將花樣傳入下位機的控制器中，控制器根據(jù)設(shè)計好的花樣控制M軸電機帶動針架上下往返運動，往返一次絎縫一針,控制X軸電機和Y軸電機帶動面料前后、左右移動,在織物上絎縫出設(shè)計的花樣，從而實現(xiàn)絎縫的目的[1]。
2 系統(tǒng)的用例建模
　UML[2]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, 還支持軟件開發(fā)過程。用例視圖描述系統(tǒng)應(yīng)該交付的功能，也就是外部參入者所看到的功能[3]。本軟件設(shè)計采用UML建模語言，對連續(xù)式絎縫系統(tǒng)進行用例分析，通過對整個系統(tǒng)框架進行構(gòu)造來實現(xiàn)上位機軟件設(shè)計和建模。上位機是整個系統(tǒng)的最頂層，主要功能是根據(jù)操作者的要求發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，并將必要的位置、速度以及故障報警等信息讀取回來。因此根據(jù)上位機的功能要求使用UML構(gòu)造上位機的用例圖，如圖1所示。

   界面顯示又細(xì)分為操作界面顯示、花樣顯示、當(dāng)前絎縫參數(shù)、運行信息顯示。其中，操作界面顯示中包含了方向鍵、參數(shù)的設(shè)定、絎縫功能的選擇,以及對花樣的選擇；花樣顯示則顯示當(dāng)前絎縫花樣，并實時顯示在軌運動軌跡；當(dāng)前絎縫參數(shù)顯示了當(dāng)前絎縫的針距、速度、花樣名稱、X/Y軸坐標(biāo)；運行信息所顯示的是絎縫狀態(tài)、報警信息和提示信息。
　設(shè)置參數(shù)中包含了對將要絎縫的花樣的參數(shù)設(shè)定，其中包括針距、轉(zhuǎn)速、空走速度、加固、斷線檢測、花樣補償?shù)脑O(shè)定。
　功能選擇細(xì)分為絎縫功能選擇、離軌運動、在軌運動、針?biāo)笳{(diào)整、花樣管理的選擇以及急停功能。其中，絎縫功能包括定起絎點、定出布點、定時打油；離軌運動包括回斷線點/穿線點、回起絎點/收絎點、方向鍵空走、回出布點、框架校零/歸零；在軌運動包括開車、停車、向前/后空走；針?biāo)笳{(diào)整選擇包括重定梭位，高點、對梭、回高點、手動；花樣管理包括讀取、預(yù)覽花樣、花樣打版。
3 上位機軟件結(jié)構(gòu)
3.1上位機軟件層次圖
　通過對絎縫機上位機用例圖的分析和軟件的構(gòu)建可以將上位機軟件劃分為四個層次：系統(tǒng)類（CSYSTEM）處于系統(tǒng)的第一層，系統(tǒng)類的成員類（CDlg、CIC、CMailBox）處于系統(tǒng)的第二層，人機交互界面類（CDlg）的成員類（CHFShow、CHFDoc）和智能控制類（CIC）的成員類（CDSP_IMC、CKB_IMC、CKB_Process、CHF_Process）處于系統(tǒng)的第三層，作為公有成員存在的插補類（CChaBu）處于系統(tǒng)的第四層，如圖2所示。

　系統(tǒng)類（CSYSTEM）在程序初始化時被實例化，其成員類也隨之實例化。系統(tǒng)類不提供具體方法，只是作為系統(tǒng)的“框架”。
　智能控制類（CIC）為絎縫線程提供主控函數(shù)，響應(yīng)用戶操作、調(diào)控設(shè)備狀態(tài)并作出相應(yīng)的動作。人機交互界面類(CDlg)是以圖形界面形式與用戶交互，通過通信接口類與智能控制類通信，將文件讀寫類、圖形與文件顯示類實例化，作為其成員。通信接口類(CMailBox)為智能控制類和人機交互界面類的通信提供接收和發(fā)送服務(wù)，并存儲待接收的信息。
　處于第三層的圖形與文本顯示類（CHFShow）為程序提供圖形及文本顯示方法，并支持特殊功能，例如：動態(tài)跟蹤軌跡等。文件讀寫類(CHFDoc),提供文件讀寫方法，讀取花樣文件，寫入信息參數(shù)，并為特殊功能處理提供支持，例如：快速前進等。DSP運動控制類（CDSP_IMC）,通過串口類與運動控制器通信，并在內(nèi)部提供存儲區(qū)，存放由串口傳遞來的信息?？绮蕉翁幚眍悾–KB_Process）和絎縫段處理類（CHF_Process），通過基于段的插補，分別得到跨步段和絎縫段的運動控制數(shù)據(jù)，并存儲在動態(tài)數(shù)組中。
　插補類（CChaBu）提供基于花樣段的插補方法和花樣插補數(shù)據(jù)，并在插補方法中啟動插補線程，對花樣進行插補。
3.2上位機軟件活動圖
　封裝性作為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本特征之一，是指將抽象得到的屬性數(shù)據(jù)和行為代碼有機地結(jié)合起來，形成一個具有類特征的統(tǒng)一體[4]。此外，通過封裝，可以決定對象的哪些屬性和行為作為內(nèi)部細(xì)節(jié)被隱藏起來，哪些屬性和行為是作為對象和外部的接口。本文中的上位機程序就很好地利用了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的封裝性，將系統(tǒng)類的子類劃分為三個大類，即人機交互界面類、通信接口類、智能控制類。程序運行時，他們之間的相互關(guān)系如圖3所示。

   在程序中，人機交互界面類和智能控制類分別通過LoadMailBox()裝載了信箱類對象（mBox）的地址，人機交互界面類通過這個地址調(diào)用信箱類中的Send()往信箱類中的結(jié)構(gòu)體變量添加數(shù)據(jù)，這個Send()就是信箱類對于對話框類的外部接口。智能控制類則通過LoadMailBox()獲得的信箱類對象的地址調(diào)用Receive()來取出對話框類在信箱類結(jié)構(gòu)體內(nèi)存放的數(shù)據(jù)，這個Receive()同樣是信箱類對于智能控制類的外部接口。同時智能控制類還能對人機交互界面類產(chǎn)生的系統(tǒng)信息進行響應(yīng)。圖3簡潔明了地描述了程序中類與類之間動態(tài)活動過程。
　通過對各個類之間的封裝可以很好地減少由于各類之間的相互調(diào)用可能引起的錯誤，與此同時，從UML的活動圖中可以清晰地看出各個對象之間的關(guān)系，有效地對系統(tǒng)工作進行掌控，防止因軟件功能互相耦合而引起的邏輯混亂。
4 嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE
    鑒于絎縫控制系統(tǒng)對實時性以及圖形界面顯示等方面的要求，選擇Windows CE作為整個系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。作為微軟的嵌入式操作系統(tǒng)，Windows CE以其高可靠性和穩(wěn)定性、硬件的良好兼容性、較高的安全性和容易上手的開發(fā)環(huán)境[5]等優(yōu)點深受廣大開發(fā)者的喜歡，而且可以根據(jù)控制系統(tǒng)的需求靈活地進行裁剪，去掉一些無關(guān)的功能，使系統(tǒng)運行起來更加穩(wěn)定、高效。
    本文提出了一種單針絎縫機上位機程序設(shè)計方法，分析和構(gòu)建了上位機的主要功能、實現(xiàn)方式和軟件流程，并通過UML圖分別展示了上位機用例圖、軟件層次圖和動態(tài)活動圖，以及根據(jù)應(yīng)用需要對操作系統(tǒng)的選擇。使用UML圖進行軟件設(shè)計能夠使得軟件層次更加清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可維護性強，充分體現(xiàn)出UML在面向?qū)ο缶幊讨兴鸬闹匾饔谩Ｍ瑫r，本文所敘述的軟件設(shè)計和建模方法，對其他上位機軟件開發(fā)有很好的借鑒作用。
參考文獻
[1]  高鵬翔.獨立絎縫機計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].紡織學(xué)報，2001，22（1）：48-57.
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[3]  GOMAA H. 用UML設(shè)計并發(fā)、分布式、實時應(yīng)用[M]. 呂慶中，李燁，羅方斌譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.
[4]  RICHTER J. Windows核心編程[M]. 王建華，張煥生，侯麗坤,等譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.
[5]  薛大龍，陳世帝，王韻編著.Windows CE嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.