CN112148271B - 一种装配工艺代码自动生成与注入的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装配流水线控制领域，具体说是一种装配工艺代码自动生成与注入的方法。包括以下步骤：将装配工艺构建工艺模型和代码模型；通过建立代码生成引擎；将代码模型输入至代码生成引擎，进行逐一层次的层次化模型解析，得到节点列表；生成框架代码和组件代码；遍历获取的节点列表得到平台无关层的代码；指定子控制器中要被注入的目标进程，获取目标进程信息并保存至结构体数据结构中，将生成的程序代码编译成可以被目标进程运行的寄宿程序；判断寄宿程序与目标进程之间的相关性，使代码注入至子控制器；使子控制器运行注入后的代码，执行新的装配工艺。本发明可以实现装配流水线可以实现在不停机或少停机对装配流程和工艺的持续升级优化。

Description

一种装配工艺代码自动生成与注入的方法

技术领域

本发明涉及装配流水线控制领域，具体说是一种装配工艺代码自动生成与注入的方法。

背景技术

装配流水线普遍存在生产效率低下、资源利用率不高的问题。合理设计工艺步骤和作业速度以实现流水线的平衡，提高装配效率，是现代企业的永恒课题。提高效率不仅需要在装配线设计阶段精确计算，还需要在装配流水线线运行的过程中不断完善装配工艺，进而优化和修改装配系统的控制程序。

然而，当前虽然有符合智能制造要求的分布式网络化自动装配流水线控制系统，但是目前的控制系统在完成程序编写后长期稳定运行，无法实现不停机或少停机情况下的在线程序更新。智能制造系统需要将制造工艺与网络技术、云技术、现代操作系统相结合，实现装配生产线的实时调度与在线优化，提高装配系统的敏捷性。因此，装配工艺代码自动生成与云端注入就是智能装配系统的关键技术之一。

发明内容

本发明目的是提供一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，本发明针目前的控制系统在完成程序编写后长期稳定运行，无法实现不停机或少停机情况下的在线程序更新的问题，对网络化分布式智能装配流水线控制系统，提出一种代码自动生成与注入的方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，包括以下步骤：

1)将子控制器中的装配工艺通过主控制器的图形化仿真软件构建工艺模型和代码模型；

2)通过建立包含平台无关层、平台相关层和代码层的代码生成引擎；

3)将代码模型输入至代码生成引擎，按照代码平台无关层的模型层次结构进行逐一层次的层次化模型解析，得到节点列表；

4)层次化模型解析完成后，在平台相关层中，根据平台相关信息和代码安全规则生成框架代码和组件代码；

5)遍历步骤3)中获取的节点列表得到平台无关层的代码，并根据平台相关层获取的框架代码和组件代码，完成在代码层中生成程序代码步骤；

6)指定子控制器中要被注入的目标进程，获取目标进程信息并保存至结构体数据结构中，在主控制器上将生成的程序代码编译成可以被目标进程运行的寄宿程序；

7)通过寄宿程序的数据接口获取寄宿程序相关信息，并判断寄宿程序与目标进程之间的相关性，通过代码注入工具使代码注入至子控制器；

8)代码注入完成后，主控制器向子控制器发送指令，以使子控制器运行注入后的代码，执行新的装配工艺。

所述步骤3)中平台无关层的模型层次结构包括系统层、构件层和任务层。

所述步骤3)具体包括以下步骤：

(1)输入装配工艺的代码模型至代码生成引擎中的系统层，遍历系统层中的代码模型中的所有节点，获取所有节点信息，所述节点信息包括构件节点信息、任务节点信息；

(2)在系统层中筛选标记构件节点信息的构件节点，构件层获取构件节点信息的构件节点，进行步骤(3)；

(3)在任务层中筛选具有标记任务节点信息的任务节点，任务层获取标记任务节点信息的任务节点；

(4)完成代码模型解析，获得包含件节点信息和任务节点信息的节点列表。

所述构件节点包括用于表示代码功能的节点信息；所述任务节点包括执行任务的节点信息。

所述步骤5)中，获取节点列表得到平台无关层的代码，具体包括：

A.选定最终生成代码的存储位置，遍历节点列表，根据节点列表中的节点信息生成目录包结构；

B.在目录包结构的指定位置生成构件节点信息的头文件和任务函数；

C.根据任务函数与最终生成代码的映射关系，实现对任务函数的实际代码具体化操作；

D.遍历节点列表完成后，代码模型信息解析完成，生成平台无关层的代码。

所述目标进程信息包括：存储器信息、程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息；所述寄宿程序相关信息包括：程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息。

所述步骤7)，具体为：

所述注入工具为Linux动态链接器；

根据目标进程信息，通过Linux动态链接器，实现动态库加载映射；若目标进程信息与寄宿程序相关信息相关，则动态库中的用于任务节点信息中的任务函数替换进程中的调用函数，完成重定向操作；否则，直接调用寄宿程序中的任务函数。

所述通过Linux动态链接器，实现动态库加载映射，具体为：

所述动态链接器映射到某一地址，启动OS文件，完成初始化，加载动态库的映射；动态链接器对目标进程信息与寄宿程序相关信息进行函数符号解析得到符号表，判断目标进程信息与寄宿程序相关信息是否具体相关性。

根据符号表判断目标进程信息与寄宿程序相关信息是否具体相关性，包括以下步骤：

目标进程信息中的程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息与寄宿程序相关信息中的程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息进行对应的逐一字节比对，得到相关度指标数值，相关度指标数值大于或等于某个阈值，判断二者具有相关性；

否则，相关度指标数值小于某个阈值，判断二者不具有相关性。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明可以实现在分布式装配流水线控制系统上自动生成装配工艺程序代码，并通过动态注入技术将程序远程注入到子控制器更新和优化装配工艺。通过本发明的方法，装配流水线可以实现在不停机或少停机前提下对装配流程和工艺的持续升级优化。

附图说明

图1为本发明的装配流水线控制系统结构框架图；

图2为本发明代码模型结构示意图；

图3为本发明代码生成引擎工作流程框图；

图4为本发明模型解析流程框图；

图5为本发明代码生成流程框图；

图6为本发明代码注入系统的架构图；

图7为本发明动态链接库加载映射流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

智能装配流水线不同于传统的集中式控制系统，采用新一代的网络化、分布式控制系统，如图1所示，智能装配流水线控制系统由主控计算机和子模块控制器组成，各个子模块的控制器与主控制计算机通过实时以太网络通信。子模块控制器可能是一个运行实时Linux操作系统的工业控制器，它们负责装配流程各个工艺环节的控制。

主控制器有一个基于流程和工艺模型的软件系统，仿真系统可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，也支持多速率系统。提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。完成建模仿真过程后，通过代码生成工具，自动生成可以运行于子控制器平台的程序代码。用户在仿真系统中建立了系统和各个子模块的模型后，就可以生成可读、紧凑并且优化的C和C++代码，用于子控制器的嵌入式计算机系统。自动生成系统还可以对代码中的函数、文件和数据进行细粒度控制，提高代码效率，简化与生产中使用的现有代码、数据类型和校准参数的集成。控制系统根据模型自动生成流程代码和各个工艺环节的控制代码。装配流水线各模块的核心在于控制算法，控制算法的仿真和建模过程中很少直接使用C代码，一般都会使用类似Simulink这种图形化的控制仿真软件。本系统就采用图形化的控制算法仿真软件进行控制算法的开发，然后根据控制系统的模型，采用代码生成组件自动将控制算法生成为子模块控制器可以执行的C工艺代码。

通过工艺模型建立代码模型是本发明涉及的关键技术。由于装配生产线各个子模块系统的平台不尽相同，有些是嵌入式系统、有些是工业计算机，它们的程序代码存在平台差异。因此首先要对模型进行如图2所示的结构划分，将模型分成平台无关模型(PIM)和平台相关模型(PSM)。平台无关模型描述抽象的工艺过程，平台相关模型将模型与特定的实现技术结合，是代码生成的具体模型。具体的平台相关模型再根据相关的映射规则通过代码生成引擎生成针对具体平台的可编译代码。

本发明所涉及的代码自动生成引擎，融合模板引擎和模型驱动的代码生成技术实现代码自动生成。代码生成过程分为建模、验证、代码生成、代码部署四个阶段。建模阶段主要用模型描述子模块的装配工艺流程；验证阶段负责对系统的安全和实时性进行验证；代码在生成阶段自动形成；最后通过编译、链接、远程注入等步骤将其部署于子控制器系统的硬件平台上。

本发明采用层次化方法来描述整个程序的结构，层次化模型用许多中间模型来保存程序的细节信息。代码生成引擎的框架如图3所示，首先将装配工艺抽象成工艺模型并制定代码安全规则，然后按照代码平台无关层的模型结构解析层次化模型内部各层级。层次化模型解析完成后根据平台相关信息和安全规则生成框架和组件代码，最后形成可编译运行的程序代码。

如图4所示，为本发明的模型解析流程，具体步骤如下：

(1)输入装配工艺的代码模型至代码生成引擎中的系统层，遍历系统层中的代码模型中的所有节点，获取所有节点信息，所述节点信息包括构件节点信息、任务节点信息；

(2)在系统层中筛选标记构件节点信息的构件节点，构件层获取构件节点信息的构件节点，进行步骤(3)；

(3)在任务层中筛选具有标记任务节点信息的任务节点，任务层获取标记任务节点信息的任务节点；

(4)完成代码模型解析，获得包含件节点信息和任务节点信息的节点列表。

如图5所示，为本发明的代码生成流程图，包括以下步骤：

A.选定最终生成代码的存储位置，遍历节点列表，根据节点列表中的节点信息生成目录包结构；

B.在目录包结构的指定位置生成构件节点信息的头文件和任务函数；

C.根据任务函数与最终生成代码的映射关系，实现对任务函数的实际代码具体化操作；

D.遍历节点列表完成后，代码模型信息解析完成，生成平台无关层的代码。程序代码在主控制器上完成生成后，要通过远程注入的方式将程序代码部署到子模块控制器中。代码注入并非是将生成的代码文件传输到目标系统中编译成可执行文件，而是一种向目标进程插入独立运行寄宿程序并使之运行的技术，简而言之，是指一个进程在另一个进程中创建线程的技术，其目的是为了实现在目标进程中运行所希望运行的代码。本发明的代码注入过程包含编译和动态注入两个部分。编译过程是完成了代码的生成之后，在主控制器上将代码编译成可以被目标平台运行的寄宿程序，然后通过注入工具将寄宿程序注入到宿主程序的目标进程中，通过动态注入过程重新完成动态库的加载以及符号解析和函数重定向操作，完成对宿主程序的更新升级。进而实现对装配流程子工艺的优化升级。

如图6所示，展示了代码注入系统的整体架构，代码的注入步骤如下：

1.在主控制器中将生成好的代码编译成子控制器接收的寄宿程序；

2.指定子控制器中要被注入的目标进程；

3.获取目标进程信息，包含存储器信息、堆栈状态信息；

4.将获取到的指定进程的存储器信息、堆栈状态信息保存到设计的结构体中；

5.通过寄宿程序的数据接口获取寄宿程序的相关信息；

6.根据寄宿程序的相关信息，检测寄宿程序与目标进程的相关性，获取相关性检测结果；

7.基于Linux动态链接技术以及进程信息，实现动态库加载映射，若目标进程与寄宿程序相关，则进程中调用函数与动态库实现函数替换，完成重定向操作；若目标进程与寄宿程序无关，则只对动寄宿程序中函数的直接调用；

8.注入过程完成后，根据工程中创建的数据结构所保存的信息回填到相应的寄存器中去，完成进程上下文恢复工作。

本发明在动态注入工具中设计了完整的动态注入方法，注入工具通过比对目标进程与寄宿程序的符号表，并根据寄宿程序接口提供的相关性信息，返回相关性检测结果。动态注入的关键是用动态链接器完成动态库的链接与加载，注入工具中的链接器使用程序的过程链接表将位置独立的函数调用重定向到绝对位置，以完成程序的动态链接。在启用动态链接器之前，需要将动态链接器映射到相应的内存空间，其具体流程如图7所示。

完成动态库映射后就可以启动动态链接器进行链接，动态链接的具体步骤如下：

1.动态链接器映射到某一地址；

2.启动.os文件，完成初始化；

3.加载动态库的映射；

4.解析函数符号；

5.完成函数重定向；

6.完成动态链接过程。

上述步骤中，通过Linux动态链接器，实现动态库加载映射，具体为：

所述动态链接器映射到某一地址，启动OS文件，完成初始化，加载动态库的映射；动态链接器对目标进程信息与寄宿程序相关信息进行函数符号解析得到符号表，判断目标进程信息与寄宿程序相关信息是否具体相关性。

根据符号表判断目标进程信息与寄宿程序相关信息是否具体相关性，包括以下步骤：

目标进程信息与寄宿程序相关信息进行对应的逐一字节比对，得到相关度指标数值，相关度指标数值大于或等于某个阈值，判断二者具有相关性；

否则，相关度指标数值小于某个阈值，判断二者不具有相关性。

进程标记属性包含目标进程信息与寄宿程序相关信息中所述信息，所述目标进程信息包括：存储器信息、程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息；所述寄宿程序相关信息包括：程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息。二者都包含对照状态信息，进而目标进程信息与寄宿程序相关信息进行逐一字节的比较。

代码注入过程完成后，主控制器向子控制器发送指令，重置运行中的程序，子控制器便可以运行更新后的程序，执行新的装配工艺。

通过本发明，可以实现在分布式装配流水线控制系统上自动生成装配工艺程序代码，并通过动态注入技术将程序远程注入到子控制器更新和优化装配工艺。通过本发明的方法，装配流水线可以实现在不停机或少停机前提下对装配流程和工艺的持续升级优化。

Claims (6)

1.一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将子控制器中的装配工艺通过主控制器的图形化仿真软件构建工艺模型和代码模型；

2)通过建立包含平台无关层、平台相关层和代码层的代码生成引擎；

3)将代码模型输入至代码生成引擎，按照代码平台无关层的模型层次结构进行逐一层次的层次化模型解析，得到节点列表；

所述步骤3)具体包括以下步骤：

(1)输入装配工艺的代码模型至代码生成引擎中的系统层，遍历系统层中的代码模型中的所有节点，获取所有节点信息，所述节点信息包括构件节点信息、任务节点信息；

(2)在系统层中筛选标记构件节点信息的构件节点，构件层获取构件节点信息的构件节点，进行步骤(3)；

(3)在任务层中筛选具有标记任务节点信息的任务节点，任务层获取标记任务节点信息的任务节点；

(4)完成代码模型解析，获得包含件节点信息和任务节点信息的节点列表；

所述构件节点包括用于表示代码功能的节点信息；所述任务节点包括执行任务的节点信息；

4)层次化模型解析完成后，在平台相关层中，根据平台相关信息和代码安全规则生成框架代码和组件代码；

5)遍历步骤3)中获取的节点列表得到平台无关层的代码，并根据平台相关层获取的框架代码和组件代码，完成在代码层中生成程序代码步骤；

所述步骤5)中，获取节点列表得到平台无关层的代码，具体包括：

A.选定最终生成代码的存储位置，遍历节点列表，根据节点列表中的节点信息生成目录包结构；

B.在目录包结构的指定位置生成构件节点信息的头文件和任务函数；

C.根据任务函数与最终生成代码的映射关系，实现对任务函数的实际代码具体化操作；

D.遍历节点列表完成后，代码模型信息解析完成，生成平台无关层的代码；

6)指定子控制器中要被注入的目标进程，获取目标进程信息并保存至结构体数据结构中，在主控制器上将生成的程序代码编译成可以被目标进程运行的寄宿程序；

7)通过寄宿程序的数据接口获取寄宿程序相关信息，并判断寄宿程序与目标进程之间的相关性，通过代码注入工具使代码注入至子控制器；

8)代码注入完成后，主控制器向子控制器发送指令，以使子控制器运行注入后的代码，执行新的装配工艺。

2.根据权利要求1所述的一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，其特征在于，所述步骤3)中平台无关层的模型层次结构包括系统层、构件层和任务层。

3.根据权利要求1所述的一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，其特征在于，所述目标进程信息包括：存储器信息、程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息；所述寄宿程序相关信息包括：程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息。

4.根据权利要求1所述的一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，其特征在于，所述步骤7)，具体为：

所述注入工具为Linux动态链接器；

根据目标进程信息，通过Linux动态链接器，实现动态库加载映射；若目标进程信息与寄宿程序相关信息相关，则动态库中的用于任务节点信息中的任务函数替换进程中的调用函数，完成重定向操作；否则，直接调用寄宿程序中的任务函数。

5.根据权利要求4所述的一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，其特征在于，所述通过Linux动态链接器，实现动态库加载映射，具体为：

所述动态链接器映射到某一地址，启动OS文件，完成初始化，加载动态库的映射；动态链接器对目标进程信息与寄宿程序相关信息进行函数符号解析得到符号表，判断目标进程信息与寄宿程序相关信息是否具体相关性。

6.根据权利要求4或5所述的一种装配工艺代码自动生成与注入的方法，其特征在于，根据符号表判断目标进程信息与寄宿程序相关信息是否具体相关性，包括以下步骤：

目标进程信息中的程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息与寄宿程序相关信息中的程序运行状态信息、堆栈状态信息、变量状态信息进行对应的逐一字节比对，得到相关度指标数值，相关度指标数值大于或等于某个阈值，判断二者具有相关性；

否则，相关度指标数值小于某个阈值，判断二者不具有相关性。

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