摘 要：軟件復(fù)用技術(shù)，可以高效、低成本地構(gòu)筑嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，滿足當前的制造業(yè)需求。通過分析嵌入式數(shù)控系統(tǒng)特點，提出了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)件模型，并進行了詳細描述。 關(guān)鍵字：嵌入式數(shù)控系統(tǒng); 構(gòu)件; 軟件復(fù)用 　　現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、開放化的特征使得基于單片機開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)控的發(fā)展和需求。而基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，因其在結(jié)構(gòu)和性能上的通用性，其在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)越性并不明顯。另一方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，作為嵌入式系統(tǒng)硬件載體的微處理器的可靠性和應(yīng)用水平越來越高，其所集成的部件越來越多，功能也越來越強大，不僅功耗越來越低而且和模擬電路結(jié)合越來越多。嵌入式微處理器與PC系統(tǒng)之間的距離越來越小，在一些場合的應(yīng)用優(yōu)勢越來越大。同時，嵌入式微處理器和嵌入式系統(tǒng)所具備的結(jié)構(gòu)緊湊性，功能上的高可靠性、集成性、實時性，對惡劣的工作環(huán)境高適應(yīng)性，以及統(tǒng)一的編程界面，強大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，這些都很好的滿足了現(xiàn)代數(shù)控的需求。 　　嵌入式軟件是嵌入式系統(tǒng)的靈魂,負責嵌入式系統(tǒng)全部資源的分配、調(diào)度和控制。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展重在嵌入式軟件的發(fā)展。但是長期以來基于生命周期的軟件開發(fā)技術(shù)本身的缺陷長期困擾著嵌入式軟件開發(fā)人員,比如:整體開發(fā)周期長,模塊化程度低,可復(fù)用性差,可移植性差,維護成本高等。因此,縮短軟件開發(fā)周期、降低開發(fā)和維護成本、提高軟件質(zhì)量是嵌入式軟件開發(fā)人員的迫切要求,也是嵌入式軟件適應(yīng)今天嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域急速擴大的要求。 　　軟件復(fù)用正是提高軟件質(zhì)量和開發(fā)效率的有效方法，是當前軟件開發(fā)研究的熱點之一。軟件復(fù)用主要是基于構(gòu)件的開發(fā)（Component-Based Development，簡稱CBD）或基于構(gòu)件的軟件工程（Component-Based Software Engineering，簡稱CBSE）。它是一種軟件開發(fā)新范型，是在一定構(gòu)件模型的支持下，復(fù)用構(gòu)件庫中的一個或多個軟件構(gòu)件，通過組合手段高效率、高質(zhì)量地構(gòu)造應(yīng)用軟件系統(tǒng)的過程。本文通過研究嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的特點，提出了一種適應(yīng)其特點的構(gòu)件模型。 1. 構(gòu)件的基本概念 　　OO技術(shù)是在“數(shù)據(jù)+算法”的基礎(chǔ)上提升了對事物的認識方法。對象的概念符合人們認識世界的習慣， 而構(gòu)件的思想則更多地將重點從建模本身發(fā)展到對軟件生產(chǎn)的考慮， 即構(gòu)件可以在應(yīng)用領(lǐng)域的軟件生產(chǎn)中作為零件納入新的體系中被重用。 因此，構(gòu)件是OO思想的沿襲和擴展，認識事物的角度從對象個體本身上升到個體在群體中的作用。 　　構(gòu)件有如下幾個基本屬性： 　　1） 構(gòu)件是可獨立配置的單元，因此構(gòu)件必須自包容。 　　2） 構(gòu)件強調(diào)與環(huán)境和其他構(gòu)件的分離，因此構(gòu)件的實現(xiàn)是嚴格封裝的，外界沒有機會或者沒有必要知道構(gòu)件內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)。 　　3） 構(gòu)件可以在適當?shù)沫h(huán)境中被復(fù)合使用，因此構(gòu)件需要提供清楚地接口規(guī)范，可以與環(huán)境交互。 　　4） 構(gòu)件不應(yīng)當是持續(xù)的，即構(gòu)件沒有個體特有的屬性，理解為構(gòu)件不應(yīng)當與自身副本區(qū)別，在任何環(huán)境中，最多僅有特定構(gòu)件的一份副本。 　　理論上，一直沒有停止對構(gòu)件模型的爭論，有代表性的理論模型包括： 　　（1）3C模型 　　3C模型是學(xué)術(shù)界普遍認同的一個具有指導(dǎo)性作用的構(gòu)件模型。該模型從概念（concept）、內(nèi)容（content）和語境（context）三個不同方面來描述構(gòu)件。 　　u 概念 關(guān)于“構(gòu)件做什么”的抽象描述，可以通過概念去理解構(gòu)件的功能。概念包括接口規(guī)約和語義描述兩個部分; 　　u 內(nèi)容 概念的具體實現(xiàn)，描述構(gòu)件如何完成概念所刻劃的功能; 　　u 語境 構(gòu)件和外圍環(huán)境在概念級和內(nèi)容級的關(guān)系。語境刻畫構(gòu)件的應(yīng)用環(huán)境，為構(gòu)件的選用和適應(yīng)性修改提供指導(dǎo)。 　　（2）REBOOT模型（刻面模型） 　　REBOOT模型是基于已有軟構(gòu)件的一種刻面分類和檢索模型，從各個角度，即刻面（Facet）刻畫軟構(gòu)件屬性。 　?。?）青鳥模型 　　北京大學(xué)青鳥工程以三個視角（形態(tài)、層次和表示）和九個方面定義構(gòu)件模型。 　?。?） 概念 ：對構(gòu)件功能的抽象描述。 　　（2） 操作規(guī)約：用來指稱構(gòu)件對外提供的、可被請求的服務(wù)。 　　（3） 接口：給出了構(gòu)件的對外行為描述。 　　（4） 類型：用于定義“什么值可用作為操作參數(shù)”。 　?。?） 實現(xiàn)體：這是構(gòu)件的具體實現(xiàn)部分，是實際完成被請求服務(wù)的系統(tǒng)。 　?。?） 構(gòu)件復(fù)合：構(gòu)件通過復(fù)合組成系統(tǒng)。 　?。?） 構(gòu)件性質(zhì)：指明構(gòu)件的形態(tài)、層次和表示。 　　（8） 構(gòu)件注釋：描述和構(gòu)件庫相關(guān)的其他性質(zhì)。 　?。?） 構(gòu)件語景：描述構(gòu)件的軟、硬件使用環(huán)境和實現(xiàn)依賴。 　　青鳥構(gòu)件模型更多地關(guān)心構(gòu)件的易理解性、封裝性及間關(guān)系，通過給構(gòu)件提供明確的對外接口實現(xiàn)服務(wù)提供者和其服務(wù)請求者的分離，更多地關(guān)心構(gòu)件及其使用者間的交互，特別是對構(gòu)件使用者有意義的部分。 　　目前比較成熟的應(yīng)用在通用計算機系統(tǒng)環(huán)境中的構(gòu)件模 型 實 現(xiàn) 技 術(shù) 有 Microsoft 公 司 提 出 的 構(gòu) 件 對 象 模 型COM（Component Object Model）、對象管理組織 OMG 提出的通用對象請求代理體系結(jié)構(gòu) CORBA（Common Object Request Broker Architecture）以及 SUN 公司提出的 EJB（Enterprise JavaBeans）構(gòu)件技術(shù)。每種技術(shù)都具有不同的優(yōu)勢，分別適用于通用計算機系統(tǒng)環(huán)境下不同規(guī)模和類型的應(yīng)用。 2. 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)分析 　　數(shù)控系統(tǒng)作為一個面向控制應(yīng)用的有機整體，其控制功能的實現(xiàn)是由眾多的硬件和軟件按照一定的規(guī)則，如拓撲關(guān)系、同步關(guān)系、通訊協(xié)議等關(guān)系所組成。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)雖然有著硬件平臺選擇多樣性與操作系統(tǒng)硬實時性的要求，但與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一樣有如下功能： 　　人機界面輸入：輸入數(shù)控系統(tǒng)的加工程序段、刀具偏置、刀具半徑、控制參數(shù)、零點坐標、補償數(shù)據(jù)等。 　　譯碼：對輸入程序段含有零件的輪廓信息（起點、終點、直線、圓弧或者曲線要求的加工速度），以及M、S、T輔助信息（換刀、換檔、冷卻液開關(guān)等），計算機通過譯碼程序來將加工程序翻譯成計算機內(nèi)部能識別的語言，并對輸入的程序段進行語法檢測，對不符合加工精度范圍的進給坐標進行圓整。 　　刀補預(yù)處理：刀補預(yù)處理一般包括刀具半徑補償，刀具偏置的坐標換算，從而得到刀具中心運行軌跡，并對加工速度進行加減速處理。使得機床運行比較平穩(wěn)，減少運行沖擊。 　　插補：即根據(jù)給定的曲線類型（如直線、圓弧或者高次曲線）起點、終點以及速度，在起點和終點之間進行數(shù)據(jù)點的密化處理。 　　運動控制：將計算機送出的位置進給脈沖或者進給速度指令，經(jīng)變換和放大后轉(zhuǎn)化為伺服電機的轉(zhuǎn)動，并根據(jù)光電碼盤或光柵等信號進行速度和位置控制。 　　信息處理：對于數(shù)控機床上的如刀具應(yīng)力、振蕩、測量、油溫等傳感器信號進行采集，并分析機床可能引起的誤差，以及故障等及其相關(guān)模式識別。 　　開關(guān)量I/O：負責對于開關(guān)量方面的I/O響應(yīng)。 　　管理調(diào)度：負責對于各功能模塊的協(xié)同。 　　輔助功能：現(xiàn)場總線接口、以太網(wǎng)接口等。如圖1所示。 [align=center] 圖1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 3.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)件模型 　　數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)件是可預(yù)制和可重用的軟件部件, 是實現(xiàn)領(lǐng)域應(yīng)用的功能封裝體. 依據(jù)對數(shù)控領(lǐng)域知識的抽象程度和構(gòu)造邏輯的劃分需要, 可生成不同粒度級的構(gòu)件元素。 　　構(gòu)件通過接口定義了同外界信息傳遞和承擔的系統(tǒng)功能，是實現(xiàn)構(gòu)件服務(wù)的明確規(guī)約。構(gòu)件接口代表了構(gòu)件同環(huán)境的全部交互內(nèi)容，也是唯一的交互途徑。除此之外，環(huán)境不應(yīng)對構(gòu)件做任何其他與接口無關(guān)的假設(shè)。 　　數(shù)控系統(tǒng)本身是信息加工系統(tǒng)，信息流動的過程也就是數(shù)控加工的過程，上個構(gòu)件產(chǎn)生的信息成為下個構(gòu)件觸發(fā)引擎，通過CAD/CAM自動生成或者手動輸入的加工信息流通過一定的方式發(fā)送給數(shù)控裝置，數(shù)控裝置內(nèi)部通過對于信息流的解碼、轉(zhuǎn)換形成各個有機構(gòu)成部分信息處理內(nèi)容，在內(nèi)部進行處理后，輸出相應(yīng)的位置信號給伺服系統(tǒng)，經(jīng)過電動機和滾珠絲杠副驅(qū)動工作臺或刀具按照設(shè)定要求移動，同時結(jié)合輔助功能和現(xiàn)場開關(guān)量的信息處理，并對數(shù)控系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)測和保護。數(shù)控系統(tǒng)的連續(xù)控制一方面包括了構(gòu)件間的信息流，同時又包含了大量的離散行為，如對手動模式、緊急情況及故障情況的響應(yīng)，對不同的加工模式如快速移動、粗加工、精加工的處理，不同控制模式如位置控制、速度控制的切換等。因而在數(shù)控程序運行的不同時期，它們將會有不同的狀態(tài)。因此必須在構(gòu)件模型中反映出狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。 　　另外考慮到嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是在實時方式下工作，而且資源受限，這就要求嵌入式構(gòu)件不僅要提供足夠的功能，還必須滿足系統(tǒng)的時限以及內(nèi)存限制等要求。同時，和傳統(tǒng)的軟件開發(fā)相比，嵌入式系統(tǒng)軟構(gòu)件和硬件聯(lián)系緊密，軟件的失誤可能會導(dǎo)致物理系統(tǒng)的破壞。因此嵌入式構(gòu)件必須具備高的可靠性——讓用戶做版本測試代價太昂貴。我們把這些體現(xiàn)嵌入式構(gòu)件性能的指標稱作嵌入式構(gòu)件的服務(wù)質(zhì)量（QoS）屬性。QoS屬性是用戶選擇合適的嵌入式構(gòu)件的一個重要依據(jù)。這也是嵌入式構(gòu)件區(qū)別通用構(gòu)件的一個重要特色。 　　綜上所述，構(gòu)件模型設(shè)計如圖2。 [align=center] 圖2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)件模型[/align] 　　在圖中，左上方是構(gòu)件的接口部分，一個構(gòu)件可以支持多個不同的接口，這些接口刻畫了構(gòu)件對外提供的服務(wù)以及要求的環(huán)境服務(wù)，體現(xiàn)了該構(gòu)件同環(huán)境的交互。上方中間用帶輸出的有限狀態(tài)機刻畫構(gòu)件的行為，構(gòu)件接收到外部事件消息后，根據(jù)當前所處的具體狀態(tài)，在構(gòu)件內(nèi)部進行狀態(tài)變遷，實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)事件的實時響應(yīng)。右上方是構(gòu)件的屬性部分，包括構(gòu)件實現(xiàn)的功能屬性以及描述屬性、約束屬性、配置屬性和服務(wù)質(zhì)量（QoS）屬性等非功能屬性。 　　此模型不僅可以描述一般的原子構(gòu)件和復(fù)合構(gòu)件，其還可以描述基于活動對象的構(gòu)件系統(tǒng)，所謂基于活動對象的構(gòu)件系統(tǒng)就是具有某種功能和任務(wù)關(guān)聯(lián)的構(gòu)件和子構(gòu)件系統(tǒng)的集合，從而把密切關(guān)聯(lián)、經(jīng)常一同復(fù)用以實現(xiàn)某個常用數(shù)控功能的構(gòu)件組織成為一個構(gòu)件系統(tǒng)，它是可以作為構(gòu)件庫存儲的又一基本單位。其不同于一般意義上的原子構(gòu)件和復(fù)合構(gòu)件，基于活動對象的構(gòu)件系統(tǒng)是一種粗粒度的構(gòu)件，即每個活動對象構(gòu)件在物理上不小于數(shù)控系統(tǒng)上的調(diào)度任務(wù)（線程），其將功能相關(guān)或者周期相關(guān)的構(gòu)件集成為一個活動對象任務(wù)，每個任務(wù)完成一定的功能，任務(wù)可以嵌套，即可在一個任務(wù)中包含一個或幾個下級任務(wù)，一系列相關(guān)的任務(wù)對象構(gòu)件組成某種類型的數(shù)控系統(tǒng)。 　　基于活動對象構(gòu)件系統(tǒng)在活動對象構(gòu)件的構(gòu)成上可以支持細粒度的構(gòu)件集成，從而容易實現(xiàn)更高層次的數(shù)控開放性和更多的選擇。另一方面基于活動對象的構(gòu)件系統(tǒng)集成數(shù)控系統(tǒng)，有利于提高復(fù)用的粒度和相關(guān)構(gòu)件的復(fù)用，從而減少系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)集成的難度。 4. 總結(jié) 　　在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)中利用軟件復(fù)用技術(shù)，特別是構(gòu)件復(fù)用，既可以滿足嵌入式數(shù)控系統(tǒng)模塊化、可擴展、可集成等要求，又縮短了數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時也提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。 　　本文通過研究嵌入式數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域下的構(gòu)件特征，提出了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)件模型，已初步建立起嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的理論構(gòu)架。但在理論和實踐方面尚有許多工作要做，仍有待于進一步研究。 參考文獻 　　1. 張明亮 解旭輝 李圣怡, 開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)的初步研究[J]， 中國機械工程, 2001,12（11）: 　　2. 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