CN101206468B - 一种计算机数控领域的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种计算机数控领域的建模方法。步骤如下：(1)采取多视角的方式剖切领域空间；(2)捕获领域特征并映射到相应的多视图平面；(3)在相应的视图容器里依据特征进行元建模；(4)领域元模型经过元模型解释器生成面向计算机数控领域的建模语言；(5)依据该建模语言，多视图方式下进行应用模型的搭建；(6)通过模型验证进行应用模型功能和非功能属性的验证；(7)通过模型解释器实现平台下源代码的自动生成。本发明针对计算机数控领域建立建模环境，能实现模型级的功能和非功能验证，并实现代码自动生成，能提高数控系统可靠性以及开发效率，能保证数控系统实时性等非功能属性。

Description

一种计算机数控领域的建模方法

技术领域

本发明涉及计算机数控领域，特别涉及一种计算机数控领域的建模方法。

背景技术

计算机数控系统涉及到机电、电子、软件以及控制等多个学科，传统的开发方法是单个应用系统的软硬件开发分开进行。这种开发方法普遍存在着可重用性程度低、开发效率低、非功能属性无法保证以及系统集成测试困难等问题。

软件复用被认为是解决软件危机的有效途径，由于特定领域的内聚性和稳定性的特点，软件复用在特定领域的应用更易获得成功。在软件工程界，基于构件的软件工程、领域工程等推动了软件复用的发展。但是在针对特定领域的应用中，均存在以下几个问题：

1)如何合理选取视角来剖切该领域空间并映射到多视图平面？

2)如何合理捕获领域特征并描述领域构件及其相互关系？

计算机数控系统中，功能属性和非功能属性(如可靠性、实时性等)同等重要。由于计算机数控领域的复杂性，如何在领域模型中合理描述系统的功能和非功能属性，并能实现在系统开发的前期做到功能和非功能要求的验证，是一个值得关注的焦点。

国内外有学者针对计算机数控进行建模和分析做出了有益的探索，但是模型大多局限为开发人员交流时的对象，模型验证和代码自动生成并没有涉及到。计算机数控领域缺乏适用、高效的建模方法。

发明内容

本发明的目的在于克服当前计算机数控领域开发方法上存在的上述问题，提供一种基于VFC(视图-特征-构件)的计算机数控领域的建模方法，VFC是视图(View)、特征(Feature)、构件(Component)英文单词首个字母的简称。本发明采取多视角的方式剖切领域空间，并映射到相应的多视图平面，在视图容器里依据特征建立相应的领域元模型，包括构件的交互和组合的描述，系统组成的描述，系统结构及行为的描述，系统功能和非功能属性的规约。

为实现上述目的，包括以下步骤：

(1)分别选取不同的视角针对计算机数控领域进行分析，所述视角包括三种：结构视角、系统视角、功能非功能视角。视角是指从不同的角度出发来观察和剖切领域空间。是CNC领域分析的依据，并和视图形成一一映射关系。所述视角包括三种：系统视角，结构视角，功能非功能视角。

(2)依据步骤(1)中选取的不同视角捕获计算机数控领域的特征后，映射成相应的多视图，所述视图包括三种：结构视图、系统视图、功能非功能视图；视图是计算机数控领域的一个片段或者切片，是从不同视角出发得到领域空间的区域投影平面和装载容器。其中结构视图分为回零视图、手动视图、手轮视图、编辑视图、录入视图以及自动视图。功能非功能视图分为运动控制视图和PLC逻辑控制视图。

(3)以数控构件特征为依据描述计算机数控领域构件；构件是组成计算机数控系统的功能单元，特征是构件的固有属性，在视图中依据特征对构件及其组合进行描述和规约并完成元建模。

(4)在步骤(2)的相应视图容器中，以步骤(3)的构件为基础完成构件之间组合和交互关系的规约，并进行元建模；元建模完成后通过元模型解释器生成面向计算机数控领域的建模语言，依据该建模语言可进行用户模型的搭建。

(5)依据步骤(4)构建的计算机数控领域元模型经过元模型解释器生成计算机数控领域建模语言，所述的计算机数控领域建模语言为可视化、图形化的建模开发环境，具备计算机数控领域特定的语法和语义空间；

(6)应用步骤(5)生成的计算机数控领域建模语言，在系统视图中建立系统平台和数控系统开闭环模型，在结构视图中建立数控管理软件模型，在功能非功能视图建立运动控制和PLC控制模型，完成数控系统应用模型的建立；

(7)通过模型验证实现应用模型的功能非功能属性验证，通过模型解释器实现代码的自动生成，并可编译成数控系统。

与现有技术相比，本发明提供的方法具有如下优点：本发明针对计算机数控领域建立建模环境，能实现模型级的功能和非功能验证，并实现代码自动生成。该方法能提高数控系统可靠性以及开发效率，能保证数控系统实时性等非功能属性，是计算机数控领域开发的一种新的建模方法。

附图说明

附图1为本发明的CNC系统建模开发流程示意图；

附图2为本发明的VFC建模方法示意图；

附图3为本发明的系统视图开闭环子视图；

附图4为本发明的系统视图CNC平台子视图；

附图5为CNC人际交互软件建模示意图；

附图6为运动控制建模示意图；

具体实施方式：

本发明的CNC开发方法，包含元建模，用户建模，模型验证及代码生成几个步骤。如附图1为CNC系统建模开发流程示意图，基于特定领域建模的CNC开发方法包括四个过程，元建模、应用建模、模型验证及代码生成。在元模型建模环境101中建立CNC元模型102，由元模型解释器103解释成CNC建模语言，即计算机数控领域建模环境104，在该建模环境中建立应用模型105，通过模型解释器106生成相应硬件平台下的源代码107，编译生成数控系统108。

具体步骤如下：

(1)元建模

如图2所示，依据VFC建模方法，利用元建模工具，针对CNC领域，选取系统视角204、结构视角201、功能非功能视角206来捕获CNC领域特征，并映射成相应的视图，即为系统视图203，结构视图202，功能非功能视图205。系统视图203对CNC平台进行描述，结构视图202对人际交互软件进行描述，功能非功能视图205对PLC以及运动控制进行描述。

人机交互的元模型针对界面元素和空间进行属性的描述，如编辑框，按钮，文本框等控件的长、宽、颜色、字体等。

系统视图针对CNC平台进行规约，依据平台的确特征如OS选配，CPU类型，存储空间大小，通讯方式，CNC开闭环选择，CNC输出模拟/数字方式选择等进行相应元素的描述和规约。

功能和非功能视图针对运动控制的任务管理，运动任务，PID控制、PLC等构件进行功能和实时特征的描述和规约。

CNC元模型的建立采取UML/OCL语言结合的方式进行，可选取元建模工具进行建模。

(2)用户建模

元建模后可通过元模型解释器生成可视化的面向CNC领域的建模语言，应用该语言由CNC领域专业人士根据需求建立用户模型。包括人际交互建模，运动控制建模，PLC建模。建模的依据是VFC方法。建模语言是可视化的，具备CNC领域的语法和语义。另外，元建模中OCL语言的约束，在用户建模时会得到体现。比方，某些“唯一性”约束的元素，用户建模时在相应视图只能拖放一个，一旦超过，建模环境不能支持并会报上相应的错误。

如图3所示，为系统视图CNC开闭环子视图。在该视图里，针对CNC系统的开闭环方式、数字/模拟量输出方式等进行建模。拖放数控系统302、轴305、轴309、编码盘301、编码盘306、伺服303、伺服307、电机304、电机308等建模元素，并进行元素之间相应的连接和属性配置，即可表示出CNC系统的开闭环方式和数字/模拟量输出方式。例如图3建模表示一个二轴闭环车床数控系统，编码盘接在运动轴上，反馈回来的数据直接送入数控系统，形成全闭环控制，数控系统以模拟量输出给伺服系统。

如图4所示，为系统视图CNC平台子视图。在该视图里，针对CNC系统的平台架构进行建模。进行OS配置402、内存配置403、CPU配置401、通讯配置406、总线配置405、I/O配置407等建模元素的拖放和组织，并进行元素之间相应的连接和属性配置，即可表示出计算机数控平台404架构方式。例如，在一种“嵌入式计算机+运动控制器”的数控系统平台，OS选择WindowsCE，RAM配置为128M的CF卡，CPU选择X86，下位机选择DSP为处理器，CPU之间通过PC/104方式进行通讯。

如图5所示，人际交互控制软件建模以操作模式为核心，只需从元素库中组织拖放，并可按照个人喜好的风格进行HMI界面的布局。选取手动模式501，针对界面元素组织507，然后再进行该模式下的界面元素属性513的设置，有长度、宽度、颜色、字体、行为等属性。在其余模式中的建模过程类似于手动模式501。在不同的视图中，元素库可提供的元素不同。元素有以下几种类型：文本框，编辑框，列表框，复合框，按钮，表格控件等。

如图6所示，运动控制建模以任务为核心，用户在元素库里选择相应的任务和插补算法，并配置相应的运动轴数即可。在运动控制视图601中，先进行运动管理构件配置602，然后分别对运动任务构件拖放603、轴构件拖放604、运动命令构件拖放605，再依次进行运动任务构件配置606、轴构件配置607和运动命令构件配置608，最后进行构件交互配置609。对于运动任务属性的配置，需配置实时属性中的周期、死期、任务优先级、最坏执行时间等。

(3)模型验证

模型贯穿于CNC开发的整个过程，因此模型直接决定系统最终性能。在系统设计阶段保证模型对系统的功能和非功能的描述的正确性非常重要，做好早期的系统功能和非功能验证能有效提高开发效率。目前成熟的支持模型仿真分析和模型形式化验证的工具有：MATLAB，UPPAAL，Giotto等。模型验证是将CNC模型转换为这些工具能识别的模型，以进行系统功能和非功能模型级验证。

(4)代码自动生成

经过验证后的模型可通过模型解释器自动生成目标平台下的源代码。首先根据元模型规则建立领域类库，通过领域类库，模型解释器对CNCML建模环境发出访问请求，CNCML对模型进行遍历，根据相应的访问请求返回模型数据。其次建立模型数据与目标输出的映射关系，即映射规则库。文本生成器根据映射规则库对模型数据进行分析、处理，最终输出文本到磁盘文件，这些文本文件可能是目标开发环境中的程序源代码，也可能是其配置文件。由于数控系统的硬件平台种类繁多，采用的实时操作系统也有所不同，所使用的开发环境也随之改变，不同目标开发环境中的代码结构差别很大，所以面向不同的开发环境，模型解释器必须建立对应的映射规则库。

以二轴车床数控系统为例说明实现步骤：

1)应用VFC建模方法构建计算机数控领域元模型，形成可视化的建模语言CNCML。

2)根据硬件平台，在系统视图中对硬件参数进行配置，如开闭环选择，脉冲/模拟输出方法选择，通讯方式等。如附图3所示。

3)在CNCML中分别在人机交互视图中，依据数控系统操作模式为核心分为六个子视图，分别是手动、手轮、回零、录入、编辑以及自动模式。在不同的模式下，选取元素库里的元素进行“所见即所得”的编辑方法，并可配置相关元素的属性。如在手动模式中，可选择系统的位置信息、状态信息、操作模式信息以及相关的按扭。附图4是人机交互控制视图建模过程。

4)在运动控制视图中，拖放“运动管理”构件，拖放“连续运动”、“回零”、“直线插补”等运动任务构件到编辑区域，把运动任务和“运动管理”直接进行关联，表示的是构件之间任务触发关系。拖放X轴和Z轴构件，并关联到“任务管理”构件，表示任务管理构件会把具体的运动任务以单轴或多轴为载体运行。运动任务构件需要配置的属性有：死期，最坏执行时间，任务优先级，任务周期。轴控制构件属性设置有：轴名，限位等。附图5是运动控制视图建模过程。

5)在PLC视图中，通过定义配置控制面板按键的变量，为控制面板的重配提供了基础。并可提供接口实现不同规格和布局的控制面板的可调换。

6)通过模型转换把二轴车床数控系统模型转换到Matlab和UPPAAL中，在Matlab中可进行控制器PID调节的验证以及逻辑功能验证，在UPPAAL进行任务可调度性的验证。

7)通过模型解释器生成面向WindowsCE.net下C/C++格式源程序，面向TI DSP环境下的C/C++格式源程序。通过第三方的编译器即可生成车床数控系统。

Claims (3)

1.一种计算机数控领域的建模方法，包括元建模和应用建模两个阶段，其特征在于包括以下步骤：

(1)分别选取不同的视角针对计算机数控领域进行分析，所述视角包括三种：结构视角、系统视角、功能非功能视角；所述结构视角包括回零视角、手动视角、手轮视角、自动视角、编辑视角和录入视角；系统视角包括计算机数控开闭环视角和计算机数控平台视角；功能非功能视角包括运动控制视角和PLC视角；

(2)依据步骤(1)中选取的不同视角捕获计算机数控领域的特征后，映射成相应的多视图，所述视图包括三种：结构视图、系统视图、功能非功能视图，所述结构视图包括回零视图、手动视图、手轮视图、自动视图、编辑视图和录入视图；系统视图包括计算机数控开闭环视图和计算机数控平台视图；功能非功能视图包括运动控制视图和PLC视图；

(3)以数控构件特征为依据描述计算机数控领域构件；

(4)在步骤(2)的相应视图容器中，以步骤(3)的构件为基础完成构件之间组合和交互关系的规约，并进行元建模；

(5)依据步骤(4)构建的计算机数控领域元模型经过元模型解释器生成计算机数控领域建模语言，该语言同时是可视化的计算机数控开发环境；

(6)应用步骤(5)生成的计算机数控领域建模语言，在系统视图中建立系统平台和数控系统开闭环模型，在结构视图中建立数控管理软件模型，在功能非功能视图建立运动控制和PLC控制模型，完成数控系统应用模型的建立；

(7)通过模型验证实现应用模型的功能非功能属性验证，通过模型解释器实现代码的自动生成，并编译成数控系统。

2.根据权利要求1所述的计算机数控领域的建模方法，其特征在于：步骤(3)所述的数控构件特征包括功能性特征和非功能性特征，非功能性特征包括实时性特征、可靠性特征和安全性特征。

3.根据权利要求1所述的计算机数控领域的建模方法，其特征在于：步骤(5)所述的计算机数控领域建模语言为可视化、图形化的建模开发环境，具备计算机数控领域特定的语法和语义空间。

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