CN103412747A - 一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，属于嵌入式应用软件和工业控制技术领域。本方法包括如下步骤：辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型；构建图形化元模型的语义知识库；制定基于语义知识库的模型映射规则体系；建立可视的源模型设计平台；提供兼容多种目标系统的模型转换环境。本发明可以根据嵌入式产品要求和应用特性的变化，通过修改源模型重新定制形成新的系统应用软件，具有良好的适用性、可维护性和重用性，能够有效提高嵌入式工业终端的开发效率，为嵌入式产品的产业化发展提供了一种现实可行的方法。

Description

一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法

技术领域

本发明涉及一种软件开发方法及其系统，特别涉及一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，属于嵌入式系统软件和工业控制领域。

背景技术

对工业机器人、数控机床等这类复杂的嵌入式工业控制系统来说，它们在实时性、并行性和多点协作性等方面的要求较高。并且在控制软件的设计开发过程中，将同时带有控制功能与非功能性规约，设计模型完整如实地转换成目标平台中可执行的实现模型是极其关键的问题。此外，嵌入式工业实时控制软件的开发也有其特殊性，即它以多任务并行执行为主要运行机制，软件设计开发过程主要集中于各种交互行为的具体建模，对行为的时序具有严格的要求，其语义体系也更具体和复杂。因此，有必要提供一种图形化的嵌入式实时系统软件的设计方法，以生成准确高效的控制软件代码。

现有的嵌入式工业实时系统设计方法主要是采用面向过程的直接编程方法，缺乏直观性，需要开发人员不但要掌握控制系统的设计原理和编程语言，还要熟悉各种嵌入式平台的使用方法，且在系统需求发生变更时涉及到的修改细节繁多，耗时费力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，通过提供直观的图元设计界面，可以进行嵌入式实时系统中各种具体行为的可视化建模，并有效解决在模型转换过程中语义的保持问题。

本发明的技术方案是：一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，包括以下步骤：

（1）辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型：对主流的嵌入式工业实时系统进行分析，归纳嵌入式实时领域关键元素的特征与结构，辨识并构建图形化元模型，形成领域元模型库；

（2）构建图形化元模型的语义知识库：根据嵌入式工业实时系统的设计要求和规范归纳语义约束条件，构建该领域内的静态与动态语义知识库；

（3）制定基于语义知识库的模型映射规则体系：把步骤（2）中形成的语义知识库作为约束，建立从图形源模型到目标模型的映射规则体系，并保持时序等关键语义的一致性；

（4）建立可视的源模型设计平台：把步骤（1）中所形成的图形化元模型库和步骤（2）中形成的语义知识库集成在该设计平台中，用户可根据具体的嵌入式工业设计任务要求，建立嵌入式系统的图形化源模型；

（5）提供兼容多种目标系统的模型转换环境：利用图形化源模型的平台无关性和独立性，针对不同的主流嵌入式系统分别实现自动的模型转换，为用户提供特定目标平台下运行的代码。

所述辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型是指：把嵌入式实时领域内的关键元素表现为具体形象的图形化元模型。

所述把嵌入式实时领域内的关键元素建立图形化的表示法模型，其具体包括以下步骤：

（1）为建模元素图形符号的构建选取基本图元；

（2) 利用基本图元的组合定义建模元素符号；

（3) 定义各建模元素之间行为关系的图形符号；

（4) 建立建模元素的图形符号及它们之间的行为关系到建模语言抽象语法的映射，最终元模型的表现形式总结目前主流的图形化建模语言中所有出现过的图形符号。

采用统计的方法，了解各种简单形状出现的概率，选择最常见的形状作为基本图元；归类剩下的图形形状，选择具有可扩展性的形状作为基本图元。基本图元包括：椭圆、矩形、竖线段、图片对象、三角形、多边形、折线。基本图元又可以分为三种类型：父图元、子图元和独立图元。父图元依据不同的布局策略确定子图元的位置和大小。

根据特征与结构的不同，最终实时领域内的图形化元模型可分为：对象元模型、行为元模型、程序算法元模型、控制模块元模型四类，这四类元模型组成嵌入式实时领域图形化元模型库，可直接供开发人员直接调用建模。

所述构建图形化元模型的语义知识库是指：利用本体论方法，对辨识与构建出的领域元模型进行本体演绎，以表述嵌入式工业实时领域内的功能语义和非功能约束性语义，共包括4个层次：定义、规则、时序、资源；从而构建实时多任务本体知识库，为建模过程及模型转换过程中的语义一致性提供依据。

所述制定基于语义知识库的模型映射规则体系是指：采用分步的映射机制，把元模型的语义知识库作为约束条件，建立从源模型到目标模型的映射规则，将功能映射、结构映射、语法映射和语义映射分解在两个过程中实现，以保持时序等关键语义的一致性。

所述建立可视的源模型设计平台是指：把图形化元模型库和语义知识库集成在可视化的模型编辑环境中；用户根据具体的嵌入式工业控制任务要求，调用图形化元模型，建立嵌入式系统的图形化源模型。

所述提供兼容多种目标系统的模型转换环境是指：面向主流的嵌入式工业应用平台分别提供不同的模型转换引擎，建模所得的图形化源模型具有平台无关性和可复用性，可以作为独立的设计结果，用户可自行选择特定目标平台，生成可执行代码。

本发明的原理为：目标模型语言与特定平台语法和环境高度相关，映射的重点在于数据的类型映射、与目标语言环境融合的结构映射， 以及语义的映射。由于在源模型到目标模型的映射中，其最终转换生成的目标模型是具体的代码级模型，因此对于不同的目标平台，其具体的映射规则是有所差异的，但其映射原理基本相同的。由于目标模型是可直接翻译的代码语言，而无论哪种目标平台，其可直接编译的代码都有对编译环境的声明定义，例如函数声明、全局变量声明等，因此在进行源模型到目标模型的映射时，首先要进行目标平台映射综合，即通过对这个语义模型进行分析后映射生成所有的编译环境，生成目标平台声明集。在此基础上再进行模型的映射，生成目标模型概念集，这两步映射的结果综合到一起就生成了最终的目标模型。由于不同的目标平台的具体要求不同，因此对于语义一致性分析、目标平台综合和模型映射的具体规则是不同的，要针对特定目标平台展开具体的映射过程。

本发明的有益效果是：

1．具有图形化的元建模技术与可视化的建模手段。基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法提供了图形化的元建模技术与可视化建模手段，可以为开发人员提供直观的设计环境；降低对开发人员的技术要求。

2．能够有效地提高开发效率，降低嵌入式工业系统的开发成本，缩短开发周期，增强嵌入式工业产品的市场竞争力。

3．具有良好的适用性和可复用性。基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法可以提供图形化的源模型，该源模型能够根据应用系统的需求变化进行灵活简单的调整，重新定制形成实时系统软件，具有良好的适用性和可复用性。

4．具有良好的可扩展性和可维护性。可以根据嵌入式工业领域的不同时期变化，改进平台框架和模型转换引擎，通过可扩展接口技术能够实现功能和模块的添加与删减。

附图说明

图1是本发明中基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法系统结构图；

图2是本发明中源模型体系中的图元元模型图；

图3是本发明中工业终端数据处理流程图；

图4是本发明中工业数据处理系统可视源模型图；

图5是本发明中机械手抓取任务控制流程图；

图6是本发明中机械手控制系统可视源模型图；

图7是本发明中语音控制系统可视源模型图；

图8是本发明中任务创建流程图；

图9是本发明中任务与邮箱之间动作示意图；

图10是本发明中任务与中断之间动作示意图；

图11是本发明中嵌入式实时语音控制系统可视源模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施方式一：一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，包括以下步骤：

（1）辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型：对主流的嵌入式工业实时系统进行分析，归纳嵌入式实时领域关键元素的特征与结构，辨识并构建图形化元模型，形成领域元模型库；

（2）构建图形化元模型的语义知识库：根据嵌入式工业实时系统的设计要求和规范归纳语义约束条件，构建该领域内的静态与动态语义知识库；

（3）制定基于语义知识库的模型映射规则体系：把步骤（2）中形成的语义知识库作为约束，建立从图形源模型到目标模型的映射规则体系，并保持时序等关键语义的一致性；

（4）建立可视的源模型设计平台：把步骤（1）中所形成的图形化元模型库和步骤（2）中形成的语义知识库集成在该设计平台中，用户可根据具体的嵌入式工业设计任务要求，建立嵌入式系统的图形化源模型；

（5）提供兼容多种目标系统的模型转换环境：利用图形化源模型的平台无关性和独立性，针对不同的主流嵌入式系统分别实现自动的模型转换，为用户提供特定目标平台下运行的代码。

所述辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型是指：把嵌入式实时领域内的关键元素表现为具体形象的图形化元模型，（对实时领域的通用目标平台进行分析和综合）根据不同的特征与结构可分为：对象元模型、行为元模型、程序算法元模型、控制模块元模型四类，这四类元模型组成嵌入式实时领域图形化元模型库，可直接供开发人员直接调用建模。

对通用目标平台的分析和综合及建模元素的抽象，具体为：结合嵌入式工业实时控制领域模型驱动软件设计方法研究的基础，对基于实时内核的开放式平台，如iRMX、UC/OS-2、VxWorks等展开研究，从任务管理、任务及中断间的同步与通信机制以及中断管理等重要因素出发，把控制问题分解为多个并发任务，把通信任务分解成中断、邮箱、信号量等元素的协同工作，按照这样的分解方法，对源模型中的主要建模元素进行抽象，构建主要建模元素的图元元模型。具体分为对象元模型、行为元模型、程序算法元模型、控制模块元模型四类。例如对象元模型包括任务、资源、事件、中断、信号量等，行为元模型包括创建、删除、发送等，程序算法包括循环、选择、分支等，控制模块包括PID模块、定位模块、导航模块等,部分图元元模型，如图2所示。

所述构建图形化元模型的语义知识库是指：利用本体论方法，对辨识与构建出的领域元模型进行本体演绎，以表述嵌入式工业实时领域内的功能语义和非功能约束性语义，共包括4个层次：定义、规则、时序、资源；从而构建实时多任务本体知识库，为建模过程及模型转换过程中的语义一致性提供依据。

具体为：首先利用Protégé软件开发实时领域静态语义本体库，然后实现本体库与知识库的映射匹配，将本体模型映射为结构化的知识，并有序存储在知识库里面。最后，通过JDBC应用程序接口将本体库中的相关知识映射为SQL Sever中的结构化知识进行有序存储，实现本体库和知识库的数据传递，从而完成图形化元模型的语义知识库的构建。

所述制定基于语义知识库的模型映射规则体系是指：采用分步的映射机制，把元模型的语义知识库作为约束条件，建立从源模型到目标模型的映射规则，将功能映射、结构映射、语法映射和语义映射分解在两个过程中实现，以保持时序等关键语义的一致性。

具体为：源模型是直观而抽象程度很高的图元语言，与目标平台无关；实时语义模型采用元语描述模型，抽象程度较高，也与目标平台无关；源模型-语义模型映射过程中，由于两者都是平台无关模型，因此不需考虑数据类型转换和平台语法的结构映射，主要实现图元元模型到元语元模型的结构映射，功能映射简单，但是要实现全部的静态语义迁移和动态语义中的时序语义迁移，因此语义的一致性主要体现在这步映射中。

设计阶段所得到的源模型由平台自动同步地转换为语义模型，这步由源模型-语义模型转换引擎实现，并且在转换的过程中会通过调用静态语义的知识进行语义的约束和校验。进行语义一致性校验的具体方案是：在调用元模型构建源模型时，与实时系统静态语义本体库进行实时交互，调用查询该元模型的定义语义或规则语义的本体知识，对于其中的语义约束进行同步的检验，对于设计行为中不符合静态语义规则要求的部分实时的加以提示，并且中止当前的建模操作。

所述建立可视的源模型设计平台是指：把图形化元模型库和语义知识库集成在可视化的模型编辑环境中，用户根据具体的嵌入式工业控制任务要求，调用图形化元模型，建立嵌入式系统的图形化源模型。  

具体为：基于模型驱动的实时系统设计方法从控制目标的分析开始，把控制分解为以元模型为基本元素的子任务，调用元模型库中的图元元模型进行源模型建模。由元模型为基础建立图元化的平台无关的源模型。有三种类型的元模型调用：状态、动作和进程系统调用。

状态系统调用：完成对一个对象的状态的更改。例如创建/删除所有对象。特殊的状态调用更改进程对象的行为，如睡眠、悬挂、中断无效和中断有效等。

动作系统调用：它们引入了在进程对象（主要是任务）之间的通信和同步关系。在这些动作系统调用的帮助下，一个任务可使用进程对象如邮箱、信号量或事件。这些动作是与所需的目标对象捆绑在一起的。

进程系统调用：它们提供了在进程对象之间的一种同步机制（不需要任何外在的目标对象）。

所述提供兼容多种目标系统的模型转换环境是指：面向主流的嵌入式工业应用平台分别提供不同的模型转换引擎，建模所得的图形化源模型具有平台无关性和可复用性，可以作为独立的设计结果，用户可自行选择特定目标平台，生成可执行代码。

即将实时语义模型自动转换为代码形式的目标模型，主要实现结构及类型等具体功能映射，所生成的目标代码可直接应用在目标平台上。

具体为：目标模型语言与特定平台语法和环境高度相关，映射的重点在于数据的类型映射、与目标语言环境融合的结构映射，以及语义的映射。由于在源模型到目标模型的映射中，其最终转换生成的目标模型是具体的代码级模型，因此对于不同的目标平台，其具体的映射规则是有所差异的，但其映射原理基本相同的。由于目标模型是可直接翻译的代码语言，而无论哪种目标平台，其可直接编译的代码都有对编译环境的声明定义，例如函数声明、全局变量声明等，因此在进行源模型到目标模型的映射时，首先要进行目标平台映射综合，即通过对这个语义模型进行分析后映射生成所有的编译环境，生成目标平台声明集。在此基础上再进行模型的映射，生成目标模型概念集，这两步映射的结果综合到一起就生成了最终的目标模型。由于不同的目标平台的具体要求不同，因此对于语义一致性分析、目标平台综合和模型映射的具体规则是不同的，要针对特定目标平台展开具体的映射过程。

实施方式二：假设某工业数据处理系统的控制过程如图3所示：

（a）主任务分别建立2个子任务：数据采集子任务和数据显示子任务；

（b）数据采集子任务通过中断等待外设送来的数据；

（c）数据显示子任务通过邮箱接收数据采集子任务获取的数据，并将该数据送到显示屏外设上显示。

要完成这个工业数据处理系统的建模，要用到的图形化元模型共8个：1个主任务、2个普通任务、1个中断、1个邮箱、1个消息、1个信号量、1个外设资源。并且从分析中可知，3个任务是并行执行的。要用到的行为共20个，包含“创建任务”、“等待中断”等。使用本发明的方法，可以构建图形化源模型，如图4所示。

实施方式三：假设某机械手在指定地点抓取物件的控制过程，如图5所示：

（a） 用户发出在（x, y, z）处抓取的命令； 

（b） 等待接近传感器检测的接近信号；

（c） 计算关节角度（a, b）；

（d） 启动关节1动作，目标是角度a，同时启动关节2动作，目标是角度b，同时启动控制器；

（e） 关节1移动到角度a，并且关节2移动到角度b，同时旋转控制器；

（f） 抓取目标。

在该图的基础上分析，可得出这个机械手控制任务可进行如下分解和细化，括号内是完成本步控制任务所需的对象元模型：

（1） 用户发出“在（x, y, z）处抓取”的命令；（1个主任务）

（2） 接近传感器检测接近信号；（1个中断）

（3） 计算关节角度（a, b），分别发送到关节1、关节2和控制器。（一个过程，3个消息）

（4）-A4：启动（move to a）；（一个普通任务，一个邮箱）

-B4：启动（move to b）；（一个普通任务，一个邮箱）

     -C4：启动控制器；（一个普通任务，一个邮箱）

（5）-A5：移动到角度a；（1个资源）

     -B5：移动到角度b；（1个资源）

     -C5：打开控制器；（1个资源）

（6）-A6：关节1动作完毕；

     -B6：关节2动作完毕b；

     -C5：旋转控制器；（1个资源）

（7） 控制器动作完毕；

（8） 机械手执行抓取动作。

要完成这个机械手控制任务，要用到的元模型共16个：1个主任务、3个普通任务、1个中断、1个过程、3个邮箱、3个消息、4个资源。并且从分析中可知，3个普通任务是并行执行的。要用到的行为共45个，包含“创建任务”、“等待中断”等。使用本发明的方法，可以构建图形化源模型，如图6所示。

实施方式四：假设嵌入式语音识别和控制系统的控制过程，如图7所示：

首先对嵌入式语音控制系统进行动作细化和任务分解，得到每一步控制任务所需的动作元模型和对象元模型，如下表所示。

表1 任务细分

其中使用的行为元模型包括：4个“创建对象”、4个“删除对象”、1个“等待资源”、1个“写资源”、1个“读资源”、2个“创建邮箱”、2个“发送到邮箱”和2个“等待邮箱”。

使用本方法构建的图形化元模型构建嵌入式实时语音控制系统的平台无关模型， 

1、主任务创建三个任务：参数处理任务para_handling、测试任务testing和训练任务training_recoginition，如图8所示。

2、任务创建邮箱、给邮箱发送消息和等待邮箱发送消息，如图9所示。

3、任务与中断之间的动作，如图10所示。 

使用本发明的方法，可以构建嵌入式语音控制系统的图形化源模型如图11所示。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型：对主流的嵌入式工业实时系统进行分析，归纳嵌入式实时领域关键元素的特征与结构，辨识并构建图形化元模型，形成领域元模型库；

（2）构建图形化元模型的语义知识库：根据嵌入式工业实时系统的设计要求和规范归纳语义约束条件，构建该领域内的静态与动态语义知识库；

（3）制定基于语义知识库的模型映射规则体系：把步骤（2）中形成的语义知识库作为约束，建立从图形源模型到目标模型的映射规则体系，并保持时序等关键语义的一致性；

（4）建立可视的源模型设计平台：把步骤（1）中所形成的图形化元模型库和步骤（2）中形成的语义知识库集成在该设计平台中，用户可根据具体的嵌入式工业设计任务要求，建立嵌入式系统的图形化源模型；

（5）提供兼容多种目标系统的模型转换环境：利用图形化源模型的平台无关性和独立性，针对不同的主流嵌入式系统分别实现自动的模型转换，为用户提供特定目标平台下运行的代码。

2.根据权利要求1所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于，所述辨识与构建嵌入式工业实时领域图形化元模型是指：把嵌入式实时领域内的关键元素表现为具体形象的图形化元模型。

3.根据权利要求2所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于：所述把嵌入式实时领域内的关键元素建立图形化的表示法模型，其具体包括以下步骤：

（1）为建模元素图形符号的构建选取基本图元；

（2) 利用基本图元的组合定义建模元素符号；

（3) 定义各建模元素之间行为关系的图形符号；

（4) 建立建模元素的图形符号及它们之间的行为关系到建模语言抽象语法的映射，最终元模型的表现形式总结目前主流的图形化建模语言中所有出现过的图形符号。

4.根据权利要求2所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于：根据特征与结构的不同，最终实时领域内的图形化元模型可分为：对象元模型、行为元模型、程序算法元模型、控制模块元模型四类。

5.根据权利要求1所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于，所述构建图形化元模型的语义知识库是指：利用本体论方法，对辨识与构建出的领域元模型进行本体演绎，以表述嵌入式工业实时领域内的功能语义和非功能约束性语义，共包括4个层次：定义、规则、时序、资源。

6.根据权利要求1所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于，所述制定基于语义知识库的模型映射规则体系是指：采用分步的映射机制，把元模型的语义知识库作为约束条件，建立从源模型到目标模型的映射规则，将功能映射、结构映射、语法映射和语义映射分解在两个过程中实现，以保持时序等关键语义的一致性。

7.根据权利要求1所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于，所述建立可视的源模型设计平台是指：把图形化元模型库和语义知识库集成在可视化的模型编辑环境中；用户根据具体的嵌入式工业控制任务要求，调用图形化元模型，建立嵌入式系统的图形化源模型。

8.根据权利要求1所述的基于模型驱动的嵌入式工业实时系统图形化设计方法，其特征在于，所述提供兼容多种目标系统的模型转换环境是指：面向主流的嵌入式工业应用平台分别提供不同的模型转换引擎，建模所得的图形化源模型具有平台无关性和可复用性，可以作为独立的设计结果，用户可自行选择特定目标平台，生成可执行代码。

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