CN105093964B - 工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法，包括步骤：(1)、依据仿真场景及顺序图确定各设备的设备框架模型；(2)、依据顺序图确定信号名称、信号类型以及信号的输入输出设备，并依据信号类型及信号的输入输出方向确定各设备的端口类型，形成各设备的通信级模型；(3)、依据顺序图中的逻辑关系确定所包含的逻辑，并依据逻辑确定逻辑行为发生的设备，最后依据逻辑及设备的信息确定逻辑行为的前导信号及产生的结果信号，形成各设备的逻辑行为模型；(4)基于设备框架模型、通信级模型和逻辑行为模型集合成仿真用设备模型。本发明可依据行为逻辑模型直接生成仿真用设备模型，便于工业电子嵌入式系统的仿真。

Description

工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法

技术领域

本发明属于工业电子技术领域，涉及工业电子嵌入式系统的仿真，具体涉及工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法。

背景技术

目前，嵌入式系统已经成为计算机工业的热点之一，嵌入式系统已经渗透到信息家电、工业控制、通信与电子设备、人工智能设备等领域。而嵌入式系统的软件与目标硬件紧密相关，软件的开发与目标硬件紧密相关，软件的开发与硬件环境的选择、设计和配置相互影响，硬件平台与嵌入式应用的复杂程度不断提高，导致软件开发周期长，开发成本昂贵、软件功能调试和性能测试不能及时完成，软件质量甚至整个系统的质量都无法保证。

同时，由于工业电子的发展，系统的功能、应用场景、使用方法复杂度急剧增加，系统的研发、生产、使用等各个环节的难度增加，后期的设计变更代价巨大。针对社会系统、战场环境、物流等逻辑对象，真实系统模拟的方式往往耗资巨大甚至不可实现。而工业电子的嵌入式软件的可靠性要求更高，一旦发生故障，往往会引起灾难性后果或造成严重的经济损失。

而且，随着软硬件复杂程度的不断提高，使用HDL(Hardware DescriptionLanguage，硬件描述语言)的逻辑设计，综合和实施技术取得了突破性进展，但是，从单一的系统级描述开始的系统设计方法仍处于起步阶段。

而传统的嵌入式系统的开发方法，即，硬件、软件设计的分割状态和顺序的设计方法，不利于修改设计，而且相对成本较高、周期较长，不能满足激烈的市场竞争的需求。

所以，亟需通过数字化的仿真方式对工业电子嵌入式系统进行仿真，以最小的代价获得尽可能真实的结果，为现实项目实施提供参考依据。其中包括利用数字模型和仿真环境将系统对象行为进行完整的定义，以及解决由于数据不可见性导致的模拟与真实环境的设计相差较大的问题。同时，解决工业电子嵌入式软件与硬件结合非常紧密所导致的需要搭建目标环境的问题，有效的解决因软硬件开发不同步，搭建费用过高的问题。

而且，要进行仿真，必须对工业电子嵌入式系统中的设备进行模型化设计，以便于在仿真系统中进行仿真。现有的对设备进行模型化设计的方法都是人工设计好设备模型的代码模板，然后根据工业电子嵌入式系统的接口控制文件、系统架构数据和设备逻辑数据等进行设备模型的设计。这种方法一方面效率低，另外一方面难以与前期建立的行为逻辑模型建立起关联，从而可能导致数据的前后不一致，难以形成工业电子嵌入式系统的统一的全生命周期数据模型。

鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法，其可依据工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型直接生成仿真用设备模型，便于工业电子嵌入式系统的仿真；同时，有利于工业电子嵌入式系统全生命周期中各种模型之间的关联，有利于建立全生命周期统一数据模型。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法，其包括以下步骤：

(1)、依据仿真场景以及所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图确定该仿真场景下各设备的设备框架模型；

(2)、依据所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图确定该仿真场景中各个信号的信号名称、信号类型以及信号的输入输出设备，并依据所述信号类型和信号的输入输出方向确定信号的输入输出设备的端口类型，从而形成各设备的通信级模型；

(3)、依据所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图中的逻辑关系确定该仿真场景中所包含的逻辑，并依据所述逻辑确定逻辑行为发生的设备，最后依据所述逻辑及设备的信息确定逻辑行为的前导信号及产生的结果信号，从而形成各设备的逻辑行为模型；

(4)、基于所述设备框架模型、通信级模型和逻辑行为模型而集合成仿真用设备模型。

进一步地，其中，通过建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系，从而形成所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图。

更进一步地，其中，建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系包括：确定顺序图的驱动事件，所述驱动事件直接从活动图中继承过来，或者根据要求对从活动图中继承过来的驱动事件进行更改并反馈至所述活动图；添加各设备之间传递的信号以及信号在该应用场景中的响应值；添加信号之间的延时以及设备的输入信号和输出信号之间的逻辑关系。

本发明的工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法可依据工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型直接生成仿真用设备模型，非常简便和高效，便于工业电子嵌入式系统的仿真。同时，其有利于工业电子嵌入式系统全生命周期中各种模型之间的关联，有利于建立工业电子嵌入式系统的全生命周期统一数据模型。再者，有利于保证数据的前后一致性，从而使得仿真效果更好。

附图说明

图1是建立工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型的方法的流程示意图。

图2是一个实施例的应用场景用例图。

图3是该实施例的活动图。

图4是该实施例的“塔康进场”应用场景的顺序图。

图5是图4所示的顺序图中的信号“UFCP状态2”的属性的示意图。

图6是图4所示的顺序图中的各个信号的延时的示意图。

图7是该实施例的其中一个设备“IMP”的状态机图。

图8是本发明的工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。

图1示出了建立工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型的方法的流程示意图。如图1所示，建立工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型，首先是根据工业电子嵌入式系统的功能确定其运行流程，并依据所述运行流程得到工业电子嵌入式系统的应用场景，并依据所述应用场景建立工业电子嵌入式系统的应用场景用例图。

在本发明中，所述应用场景用例图为用例树。用例树中的每一个用例代表一个应用场景，并通过所述用例树的树结构来描述各个应用场景之间的结构关系和父子关系(当然，在有些用例树中各个应用场景之间可能不存在父子关系)。

其次，建立各个应用场景之间的逻辑关系，从而形成工业电子嵌入式系统的活动图。

对于一个活动图来说，其通常由如下元素构成：

活动：“活动”表示工业电子嵌入式系统的应用场景，也可以表示工业电子嵌入式系统的应用场景下的子应用场景(对于存在父子关系的应用场景来说，会有子应用场景)。

驱动事件：“驱动事件”是活动图内所有活动关联的“桥梁”。“驱动事件”本身与工业电子嵌入式系统中相关的信号相关联，工业电子嵌入式系统的所有活动均被信号驱动，使得活动图没有独立，而是通过信号与ICD模型、系统架构模型相关联，达到了“统一模型”的目的。

开始/结束：“开始”是活动图的起点，“开始”的“驱动事件”被触发代表活动图开始；“结束”是活动图的终点，“结束”的“驱动事件”被触发代表活动图结束，一个活动图只有一个“开始”,可以有多个“结束”。

分支：“分支”有一个输入，两个输出。可以将多个活动的输出作为分支的输入，但是，多个活动的输出最终要形成一个输入。同时，在分支中可以编辑多个活动的输入之间的逻辑关系，作为两个输出的条件，两个输出的条件是互斥的，这样可以保证只有一个输出条件可以被触发。

合并：“合并”可以将一个活动的多个并发输出进行分支，达到同时触发多个活动的目的；也可以将多个活动的输入汇合，达到共同触发下一个活动的目的。

因此，在本发明中，在建立各个应用场景之间的逻辑关系时，包括：根据工业电子嵌入式系统的接口控制文件和系统架构数据编辑各个应用场景(即，活动)之间的活动流程以及在各个应用场景之间添加分支和合并；同时，编辑各个应用场景的驱动事件，并为某些有特殊需求的应用场景的驱动事件定义条件。例如，有些应用场景需要在满足特殊条件的情况下才能出现，在这种情况下，就需要为这些应用场景定义好条件，以便于条件满足时才能出现该应用场景。

接着，建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系，从而形成工业电子嵌入式系统的顺序图。

对于一个顺序图来说，其通常由如下元素构成：

驱动事件：“驱动事件”从活动图继承过来，作为与活动图关联的桥梁，是顺序图开始或者结束的标识。当然，“驱动事件”也可以是根据要求对从所述活动图中继承过来的驱动事件进行更改后的驱动事件。

对象：“对象”代表应用场景所涉及的设备，在与系统架构模型相关联时，将设备作为顺序图中参与交互的“对象”。

信号：信号表示对象(即设备)之间的交互动作。将信号与其它模型中的信号绑定，从而使得行为逻辑模型与系统架构模型/ICD模型关联，使得各设备之间的交互不只是文字上的描述，而是与其它模型相关联，可用于后续仿真验证的模型。

延时：通过添加延时，使某些信号发送间隔满足特定条件，以此完整地定义系统行为的实时属性。

逻辑关系：添加某条信号的输出条件，输出条件包括输入信号的逻辑关系以及时间条件，使该信号在满足某种条件下才可发出；同时，可以编辑信号的输出函数，使该信号的输出值根据输入进行变化。通过定义逻辑关系，可完善设备的内部处理逻辑。

因此，在本发明中，建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系包括：确定顺序图的驱动事件，所述驱动事件直接从所述活动图中继承过来，或者根据要求对从所述活动图中继承过来的驱动事件进行更改并反馈至所述活动图；添加各设备之间传递的信号以及信号在该应用场景中的响应值；添加信号之间的延时以及设备的输入信号和输出信号之间的逻辑关系。

最后，建立工业电子嵌入式系统的各个设备的状态机图，通过该状态机图来查看该设备在各个应用场景下的行为和逻辑。

对于一个状态机图来说，其通常由如下元素构成：

状态：“状态”表示当前设备的在满足某些输入、执行某些活动或等待某些驱动事件的条件或状况。其中，起始状态表示设备执行的起点，终止状态表示设备的一个最终状态。一个设备有一个起始状态和一个或多个终止状态。状态与顺序图中某个设备同一时间的输入输出信号相关联，使状态机图的状态可以在顺序图完成后自动生成。

条件：“条件”是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励。由于状态与输入输出信号相关联，条件即与信号、驱动事件以及逻辑关系相关联，使状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成。

动作：“动作”是一个设备状态发生转换时，产生的一系列行为。动作与设备中的逻辑关系中的输出函数部分相关联，使状态机图的动作可以在顺序图完成后自动生成。

因此，在本发明中，可以根据所述顺序图自动生成设备的状态机图。在有些情况下，可能不需要定义顺序图和活动图。在这种情况下，可以直接手动绘制设备的状态机图，即，根据工业电子嵌入式系统的接口控制文件和系统架构数据，通过添加状态、条件和动作，自行建立设备的状态机图。

下面以一个小型工业电子系统为例，介绍本发明的行为逻辑模型的具体建模过程。

该小型工业电子系统的功能为：实现人在环的航路飞行、进场及着陆过程。

根据该小型工业电子系统的功能，可以确定其运行流程为：飞行员通过正前方控制板(UFCP)的画面按键发起进场、着陆过程，通过驾驶杆控制飞行姿态，各个指令经过综合处理单元(IMP)处理协调各个显示设备，实现飞机完整过程的状态显示。

根据上述运行流程可以得到该小型工业电子系统的应用场景包括：巡航、进场、选择返航机场、自主进场、塔康进场、着陆、微波着陆、仪表着陆。

依据上述应用场景可以建立如图2所示的工业电子系统的应用场景用例图。该应用场景用例图以树结构的形式来描述上述各个应用场景之间的结构关系。其中，在该应用场景用例图中，各个应用场景之间不存在父子关系，因此，也就没有应用场景具有子应用场景。

然后，建立上述各个应用场景之间的逻辑关系，从而形成如图3所示的工业电子系统的活动图。

在该活动图中，●代表开始，代表结束，活动为各个应用场景。“按下FAF键”和“按下着陆键”等为驱动事件。当然，在该活动图中也存在着“分支”和“合并”。例如，“着陆”与“微波着陆”和“仪表着陆”之间就存在着分支。

接着，建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系，从而形成工业电子系统的顺序图。

由于需要为每个应用场景都建立顺序图，在本发明中，为了简化，以“塔康进程”应用场景为例，建立的该应用场景所涉及的各个设备之间的顺序图如图4所示。

在如图4所示的顺序图中，UFCP代表设备“正前方控制面板”、IMP代表设备“综合处理单元”、ADLC代表设备“大气数据机”、INE1代表设备“惯性导航仪1”、ICNI代表设备“综合通信、导航、识别系统”、MFD代表设备“多功能显示器”、HUD代表设备“平视显示器”。

在该顺序图中，开始事件为“选择模式”，该开始事件继承自所述活动图中的驱动事件“选择模式”。同时，该驱动事件与ICD模型中的“系统开”信号相关联，从而实现与ICD模型的关联。

同时，在该顺序图中，带箭头的实线表示各设备之间的信号。各个信号都具有自己的属性并与ICD模型中的信号绑定在一起。例如，信号“UFCP状态2”的属性如图5所示。在图5中，ICD属性就是与该信号绑定在一起的ICD模型中的信号的相关内容。通过所述ICD属性实现与ICD模型中的信号的绑定。

而且，在该顺序图中，根据需要，设置的各个信号的延时如图6所示。

最后，在该顺序图中，各个信号都具有逻辑关系。在图4所示的顺序图中，未显示信号的逻辑关系，但是，通过点击相关信号，即可以查看其逻辑关系。例如，以“进入进场”为例，其逻辑关系为俯仰角<30°并且滚转角<10°。

在活动图与顺序图绘制完成后，可自动生成相关设备的状态机图。以IMP设备为例，其状态机图如图7所示。

在该状态机图中，“巡航”、“塔康进场”、“自主进场”为需要用到IMP设备的三个应用场景，即IMP设备可能处于的三个状态。同时，“按下进场按钮”为IMP设备状态转换的事件。并且，当满足条件“系统开&周边键操作号＝不操作”时，IMP设备进入“塔康进场”状态；当满足条件“系统开&UFCP输出数据”时，IMP设备进入“自主进场”状态；在其它条件下，IMP设备停止。同时，在该状态机图中，不存在“动作”。

建立了工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型之后，即可依据所述行为逻辑模型构建工业电子嵌入式系统仿真用设备模型。

图8示出了本发明的工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法的流程示意图。如图8所示，在本发明中，首先是依据仿真场景以及所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图确定该仿真场景下各设备的设备框架模型。例如，假如仿真场景为“塔康进场”，即，对应用场景“塔康进场”进行仿真，那么依据图4所示的“塔康进场”的顺序图可知该仿真场景所涉及的设备包括UFCP(正前方控制面板)、IMP(综合处理单元)、ADLC(大气数据机)、INE1(惯性导航仪)、ICNI(综合通信、导航、识别系统)、MFD(多功能显示器)、HUD(平视显示器)。然后，为上述各设备建立设备框架模型。所述设备框架模型包括设备名称、ID、型号等。

在本发明中，具体地：建立了所述顺序图之后，会在后台数据库中针对每个应用场景生成一个设备列表，在确定仿真场景下各设备的设备框架模型时，可以利用SQL查询语句通过查询与仿真场景名称相同的表单字段相关联的设备表单，确定该仿真场景下的设备个数及各设备的名称、ID、型号等，从而形成各设备的设备框架模型。

其次，依据所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图确定该仿真场景中各个信号的信号名称、信号类型以及信号的输入输出设备。由于所述顺序图中设置好了各种信号，因此，可以依据所述顺序图直接确定该仿真场景中各个信号的信号名称、信号类型以及信号的输入输出设备。

在本发明中，具体地，建立了所述顺序图之后，会在后台数据库中针对每个应用场景生成一个信号列表，在确定仿真场景下各设备的信号级模型时，可以利用SQL查询语句通过查询与仿真场景名称相同的表单字段相关联的信号表单，确定该仿真场景下各个信号的信号名称、信号类型以及信号的输入输出设备。

由于在仿真规范中，信号的输入输出与设备的连接关系为通过设备上的端口实现。而在工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中并不存在端口信息，因此，在本发明中，要依据所述信号类型和信号的输入输出方向确定各设备的端口类型。具体地，每一种信号类型以及相应的输入输出方向都与一个相应的端口类型相对应，通过信号类型及信号的输入输出方向与端口类型的对应关系，就可以来确定端口类型，从而获得端口信息。

在本发明中，在确定信号名称、信号类型、信号的输入输出设备和端口类型后，即可形成各设备的通信级模型。各设备的通信级模型包括设备的输入输出信号的名称、类型以及端口等信息。

接着，依据所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图中的逻辑关系确定该仿真场景中所包含的逻辑，并依据所述逻辑确定逻辑行为发生的设备，最后依据所述逻辑及设备的信息确定逻辑行为的前导信号及产生的结果信号，从而形成各设备的逻辑行为模型。

具体地，在工业电子嵌入式系统的顺序图中，各个信号都具有逻辑关系。通过查找各个信号的逻辑关系，即可知道各个信号的前导信号及结果信号等，从而找到信号之间的关联关系。各设备的行为逻辑模型包括设备的输入输出信号的前导信号、结果信号等信息。

最后，基于所述设备框架模型、通信级模型和逻辑行为模型而集合成仿真用设备模型。因此，所述仿真用设备模型包括设备名称、ID、类型以及设备的输入输出信号的名称、信号类型和接口类型，还包括逻辑行为，例如其输入输出信号的前导信号和结果信号等。因此，例如该设备模型，足以用来进行仿真。

在构建好仿真用设备模型之后，即可将所述设备模型装入仿真系统中，从而进行仿真。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法，其包括以下步骤：

(1)、依据仿真场景以及所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图确定该仿真场景下各设备的设备框架模型；

(2)、依据所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图确定该仿真场景中各个信号的信号名称、信号类型以及信号的输入输出设备，并依据所述信号类型和信号的输入输出方向确定信号的输入输出设备的端口类型，从而形成各设备的通信级模型；

(3)、依据所述工业电子嵌入式系统的行为逻辑模型中的顺序图中的逻辑关系确定该仿真场景中所包含的逻辑，并依据所述逻辑确定逻辑行为发生的设备，最后依据所述逻辑及设备的信息确定逻辑行为的前导信号及产生的结果信号，从而形成各设备的逻辑行为模型；

(4)、基于所述设备框架模型、通信级模型和逻辑行为模型而集合成仿真用设备模型；

其中，所述顺序图通过建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系而形成。

2.根据权利要求1所述的工业电子嵌入式系统仿真用设备模型的构建方法，其中，建立每个应用场景所涉及的各设备之间的信号时序和逻辑关系包括：确定顺序图的驱动事件，所述驱动事件直接从活动图中继承过来，或者根据要求对从所述活动图中继承过来的所述驱动事件进行更改并反馈至所述活动图，所述活动图通过建立各个应用场景之间的逻辑关系而形成；添加各设备之间传递的信号以及信号在该应用场景中的响应值；添加信号之间的延时以及设备的输入信号和输出信号之间的逻辑关系。