摘 要: 把嵌入式系統(tǒng)應用到儀器儀表領域，讓傳統(tǒng)的儀表，Internet和微處理器相結合，已成為儀器儀表行業(yè)發(fā)展的趨勢。本文首先由基于嵌入式智能儀表的遠程監(jiān)控系統(tǒng)引出嵌入式控制器，然后結合嵌入式控制器，作者具體闡述了UML-RT和平臺思想在嵌入式控制器系統(tǒng)設計中的運用，給出了嵌入式控制器設計的詳細步驟和具體內(nèi)容。 關鍵字: 嵌入式控制器;智能儀表;微處理器;UML-RT 1 引言 　　在儀器儀表迅速發(fā)展的同時，計算機和網(wǎng)絡技術也在迅速發(fā)展，PC機已經(jīng)從高速增長進入到平穩(wěn)發(fā)展時期，嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和廣泛應用，使計算機和網(wǎng)絡進入了后PC時代，基于嵌入式智能儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為工業(yè)控制網(wǎng)絡重要發(fā)展方向之一。而嵌入式控制器是能夠?qū)崿F(xiàn)智能儀表遠程監(jiān)控的關鍵設備，是工業(yè)控制儀表與Internet連接的橋梁。 2 控制器總體介紹 　　嵌入式智能儀表的結構及其與Internet的連接方案設計如圖1。 [align=center] 圖1基于嵌入式智能儀表的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[/align] 　　嵌入式控制器是用于執(zhí)行獨立功能并具有以復雜方式處理數(shù)據(jù)能力的控制系統(tǒng)，它內(nèi)置在工業(yè)儀表上，由三部分組成:高速處理器、嵌入式Web服務器和工業(yè)儀表接口。嵌入式控制器以高速處理器為核心，由高速處理器和其他芯片協(xié)同工作來控制電子設備或裝置，能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動化處理任務。嵌入式控制器是一種很好的基本接入設備，它通過工業(yè)儀表接口與儀表相連。嵌入式控制器在TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A上，將Web功能融入整個裝置。客戶只要擁有瀏覽器，即可方便的與控制器進行通信，對現(xiàn)場智能儀表進行過程參數(shù)的查看與設定，控制對象的關閉與開啟。 　　基于嵌入式儀表的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心是嵌入式控制器，嵌入式控制器是一個典型的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式控制器的系統(tǒng)設計遵從嵌入式系統(tǒng)設計的相關理論。系統(tǒng)設計需要考慮把軟件和硬件的結構作為一個統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體。嵌入式系統(tǒng)趨向于采用高平臺（Platform）和采用面向?qū)ο蟮腢ML-RT來進行系統(tǒng)的分析和設計。因此，我們在設計嵌入式控制器時，采用UML-RT和平臺（Platform），使嵌入式控制器有一個彈性的架構，能夠方便快速的改變或擴充功能，滿足系統(tǒng)要求。 3 嵌入式控制器的需求分析 　　我們利用UML的用例圖（use case）來對嵌入式控制器進行需求分析。用例圖從用戶的觀點描述了系統(tǒng)硬件和軟件的功能。按照前面我們對嵌入式控制器的功能描述，我們得出系統(tǒng)的用例圖，如圖2所示。其中包括七個不同的用例和兩個不同的角色。 [align=center] 圖2 嵌入式控制器的用例圖[/align] 　　用戶角色可進行查看數(shù)據(jù)，設定數(shù)據(jù)，開啟和關閉控制對象（智能儀表），控制對象可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，相應開啟和關閉的操作指令。數(shù)據(jù)處理中心負責數(shù)據(jù)的封裝，發(fā)送，計算等數(shù)據(jù)處理工作。 4 平臺（platform）的劃分和設計 　　在完成了系統(tǒng)的需求分析之后，開始劃分本平臺的系統(tǒng)結構，所謂本平臺的系統(tǒng)結構就是指平臺系統(tǒng)對各級之間界面的定義及其上、下層的功能分配，而且每一層又有它自己的系統(tǒng)結構。主要按照功能、邏輯順序來劃分多級層次結構。在劃分系統(tǒng)結構的時候，主要需要綜合平衡下面的一些問題: 　　1、本質(zhì)上，它是從平臺用戶在使用本平臺進行開發(fā)時，所看到的本平臺的屬性，包括概念性結構，一些接口和功能特性。從概念和功能上把它看作是有多級構成的層次結構，有利于對嵌入式控制器及開發(fā)平臺本身的正確理解。要研究哪些應當透明，哪些不應當透明。透明的好處是可以不用管它，簡化了該級的設計。 　　2、一般來說，很多功能既可以放在上層，也可以放在下層，而且它們在邏輯功能上是等效的。選擇什么樣的上下層分配比例，主要取決于易用性，復雜度及現(xiàn)有的硬件狀況等。 　　3、系統(tǒng)結構的設計與實現(xiàn)，究竟應該從哪一層開始，也是一個重要的問題。比如對于一個三層的結構，可以有從上到下、從下到上、由中間開始等多種選擇。從上述幾點考慮，嵌入式控制器平臺的系統(tǒng)結構如圖3所示。 　　我們把嵌入式控制器系統(tǒng)分為3個抽象層次:體系結構平臺（ARC platform），應用程序編程接口平臺（API platform），定制的應用程序平臺（ASP）。ARC平臺包含了微處理器存儲系統(tǒng)，接口電路，I/O通道及芯片之間的內(nèi)部連接。微處理器系統(tǒng)由S3C2410微處理器、FLASH, SDRAM, CS8900A網(wǎng)絡控制芯片等一族“微架構”組成。API平臺包括RTOS實時操作系統(tǒng)，嵌入式Web服務器，設備驅(qū)動程序等。API平臺是軟件抽象層，把ARC平臺的實現(xiàn)細節(jié)進行封裝。API平臺提供接口服務，并對這些接口按類別進行分組。比如用戶需要知道RTOS是否提供占先式任務調(diào)度接口，嵌入式Web服務器提供的HTTP, TCP/IP接口。ASP平臺提供用戶的直接操作界面和專門的應用服務，如讓用戶通過瀏覽器查看和設定智能儀表的控制參數(shù)。 [align=center] 圖3 平臺的劃分[/align] 　　在每個平臺都有相應的服務質(zhì)量（QoS）的要求。在ARC平臺對功耗、存儲量、處理速度、通訊能力等都有要求。S3C2410, CS8900A等芯片可以很好的滿足這些要求。在API平臺對運行任務的個數(shù)，任務切換時間等也有要求，嵌入式Web服務器和嵌入式Linux能滿足這些要求。在ASP平臺要求進行實時的參數(shù)查看和參數(shù)設定。采用Java Applet能很好的做到這些。 　　對嵌入式控制器系統(tǒng)進行平臺的劃分，并且對各個平臺提出相應的服務質(zhì)量參使我們在設計的初始階段對整個設計有全局的觀念，由于各個平臺之間相對獨對以后出現(xiàn)的新的設計要求和設計修改具有很好的適應能力。 5 基于UML-RT的嵌入式控制器設計 　　在對嵌入式控制器劃分平臺后，我們可以用UML-RT的符號體系對嵌入式控制器系統(tǒng)進行建模。我們把建模的過程分為兩個階段。第一階段是考慮系統(tǒng)的對外接口。第二階段是考慮系統(tǒng)內(nèi)部的平臺建模。 　　在第一階段，嵌入式控制器的建模見圖4。根據(jù)前面用例圖的需求分析，得出系統(tǒng)需要與環(huán)境交互的端口有兩個:一個是與控制對象即智能儀表進行通訊。一個是和用戶進行交互。為了支持和用戶交互以及控制對象通訊，我們定義了兩個容器（capsule）u :User Interface和t : Transfer Data。容器p :Process Data則是用來處理數(shù)據(jù)。容器可以包含相關的軟件和硬件結構，數(shù)據(jù)傳送可通過并口和串口進行，這種傳送和處理器藕合的很緊，我們用UML-RT的擴展符號表示。同樣，《SW p1》表示在處理器P1上執(zhí)行的處理與控制對象通訊的程序。我們用這種方式還可以對u :User Interface和p :Process Data進行細化。 [align=center] 圖4 嵌入式控制器的第一階段表示[/align] 　　在第一階段的基礎之上，我們結合前面對平臺的劃分，進行平臺建模。系統(tǒng)的ARC平臺的建模如圖5所示。 [align=center] 圖5 ARC平臺下的UML-RT建模[/align] 　　圖5表示了ARC平臺的基本組件和它們的拓撲圖結構，利用這個圖可以進一步的進行對象建模。這個模型提供了一個框架，并可以方便的增加，移動，替代，修改框架內(nèi)的元素。UML-RT的端口可以有效的表示模型元素之間的接口。 　　API平臺處于ARC平臺和ASP平臺之間，包括RTOS嵌入式Web服務器，設備驅(qū)動程序等。從UML-RT角度看，API平臺是ARC容器與ASP容器之間的通訊管道。在這里ARC容器和ASP容器直接通過連接器相連。 　　ARC Proxy從ASP容器的端口中接收調(diào)用信息，然后把這個信息通過RTOS API送到合適的設備驅(qū)動程序，讓設備驅(qū)動程序去和ARC平臺通訊。異步或同步的通訊可以通過這個方式進行。驅(qū)動程序和RTOS是緊密相關的。ASP平臺的建模同樣可以通過類似的方式表現(xiàn)。 　　綜上所述，結合UML-RT和Platform進行嵌入式控制器的設計，我們看到它們能夠很好的對嵌入式軟硬件進行抽象，提供良好的文檔資料。基于UML-RT和Platform設計的系統(tǒng)架構，對設計過程出現(xiàn)的新的設計要求和設計修改具有很好的適應能力，設計者可以及早的發(fā)現(xiàn)并更正錯誤。 本文作者創(chuàng)新點: 　　控制網(wǎng)和信息網(wǎng)的融合是企業(yè)信息化的趨勢，工業(yè)以太網(wǎng)正在融合的過程中扮演了重要的角色。本文論述了嵌入式系統(tǒng)與Internet技術結合的必要性和必然性。隨后給出嵌入式智能儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案并引出嵌入式智能儀表的基本結構，闡明嵌入式控制器在實現(xiàn)遠程監(jiān)控中的作用。 　　作者簡介：唐立偉（1969 - ），男，湖南婁底人，畢業(yè)于湘潭大學自動化專業(yè)，婁底職業(yè)技術學院機電工程系講師，研究方向：電氣自動化與數(shù)控技術。 　　Biography: 　　TANG Liwei （1969- ）, Male, Born in Hunan Loudi, Lecturer, Bachelor Degree, Research Areas: Electrical Automation and Digital Control Technology. 　　詳細通訊地址：湖南省婁底職業(yè)技術學院機電工程系 收件人：唐立偉 參考文獻 　　[1] 李謙,丁香乾,石碩,姜兆寧. 基于嵌入式系統(tǒng)平臺的智能終端的設計[J]. 微計算機信息, 2007, 3-2: 25-26. 　　[2] 李佑軍. 嵌入式系統(tǒng)綜述[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2003,11. 　　[3] 周公樂, 王錦地, 唐世浩, 胡妮, 趙峰, 趙開廣.基于Web 的遙感模型庫建設中的關鍵技術研究[J] . 遙感信息, 2004 , （1） : 38-40. 　　[4] 王介之，陳志剛. 利用WEB服務實現(xiàn)智能客戶端應用[J],計算技術與自動化.05, 1. 　　[5] 智能客戶端體系結構與設計指南（第四章）[M].MicroSoft MSDN 2004-8-20