摘 要：本文闡述如何在多專業(yè)領(lǐng)域合作下，用層次化方法對(duì)計(jì)算機(jī)工控軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文中將工控軟件的體系結(jié)構(gòu)分為四層：物理層、通訊層、協(xié)議層和事務(wù)層，并對(duì)每一層所涉及的技術(shù)細(xì)節(jié)加以說明。文中以某型配液儀為例，介紹了軟件與其它技術(shù)專業(yè)的接口在層次結(jié)構(gòu)中的映射。

關(guān)鍵詞：軟件工程；工控軟件；層次化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311.52

一般情況下，工控類應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)主要由計(jì)算機(jī)、以單片機(jī)為核心的電子電路和機(jī)械構(gòu)件組成。用戶通過計(jì)算機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制指令，單片機(jī)通過外圍電子電路向機(jī)械構(gòu)件傳遞電信號(hào)，機(jī)械構(gòu)件執(zhí)行具體操作。其系統(tǒng)復(fù)雜度取決于各技術(shù)專業(yè)（計(jì)算機(jī)、電子和機(jī)械）的交互性和耦合度。

下面闡述如何在多專業(yè)領(lǐng)域合作的情況下，用層次化方法對(duì)計(jì)算機(jī)軟件部分進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 層次化結(jié)構(gòu)

層次化是解決復(fù)雜問題時(shí)最常見的工程方法。

軟件系統(tǒng)的層次劃分，一般遵循以下原則：①每層的功能明確，且相互獨(dú)立。當(dāng)某一層具體的實(shí)現(xiàn)方法被更新時(shí)，只要保持上、下層接口不變，就不會(huì)對(duì)鄰層產(chǎn)生影響。②層間接口必須清晰，跨越接口的信息量應(yīng)盡可能少。③層數(shù)適中，應(yīng)視系統(tǒng)復(fù)雜度而定。

筆者將工控軟件的體系結(jié)構(gòu)分為物理層、通訊層、協(xié)議層和事務(wù)層四層（如圖1）。

圖1 工控軟件的體系架構(gòu)

1.1 物理層。物理層包括所有實(shí)現(xiàn)該工控應(yīng)用的硬件資源。如計(jì)算機(jī)、工控設(shè)備及兩者間的連接方式。在某些存在電磁輻射、水汽、酸堿度偏向，甚至非常溫環(huán)境中，硬件需專設(shè)保護(hù)。連接方式通常有串口、網(wǎng)絡(luò)接口等。在某些工控系統(tǒng)中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)需要有專用的數(shù)據(jù)卡，如光電轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)者應(yīng)針對(duì)不同的系統(tǒng)環(huán)境選擇合適的連接方式。以串口為例，短距離的串口通訊使用RS-232接口；中遠(yuǎn)距、一對(duì)多連接時(shí)使用RS-485接口。在許多實(shí)際的工況中，軟件系統(tǒng)的性能受物理層的影響極大，一個(gè)好的工控軟件能直接反映出硬件的電氣特性。如溫控設(shè)備的曲線顯示，能直觀地表現(xiàn)出溫度值是否與電子測(cè)量值線性對(duì)應(yīng)。在工控項(xiàng)目中，軟件應(yīng)以硬件為中心，為硬件服務(wù)。

1.2 通訊層。通訊層實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與工控設(shè)備在軟件層面的連接。常用的通訊接口有串口控件MSCOMM32、網(wǎng)絡(luò)連接控件Winsock等。通訊接口的選擇取決于物理層的連接方式。出于技術(shù)控制和安全方面的考慮，許多企業(yè)會(huì)自行設(shè)計(jì)各類接口的驅(qū)動(dòng)程序。通訊層的主要任務(wù)是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。與通訊接口相關(guān)的技術(shù)參數(shù)都在這一層進(jìn)行定義，如串口的波特率、網(wǎng)絡(luò)的端口號(hào)、響應(yīng)延遲時(shí)間等。通訊層還包括數(shù)據(jù)的加密、解密及相關(guān)安全技術(shù)。有些國外的軟件項(xiàng)目直接使用自定義的socket代碼，其中可以封裝許多不為外人所知的技術(shù)細(xì)節(jié)。通訊層是軟件系統(tǒng)的第一層，由協(xié)議層調(diào)用，但不同通訊接口的協(xié)議方式存在差別。

1.3 協(xié)議層。協(xié)議層定義計(jì)算機(jī)與工控設(shè)備（單片機(jī)）間的通訊協(xié)議（語法），以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成（語義）。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)間的通訊過程類似于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的握手應(yīng)答，構(gòu)成客戶端/服務(wù)器模式。數(shù)據(jù)幀通常由幀頭、傳輸數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼和幀尾組成。通訊協(xié)議既要滿足硬件的需求，也應(yīng)符合軟件設(shè)計(jì)的基本規(guī)范。國際通行的文檔標(biāo)準(zhǔn)是：對(duì)每一條協(xié)議指令進(jìn)行分類編號(hào)，配有文字說明，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的出錯(cuò)處理流程。計(jì)算機(jī)端的協(xié)議代碼由事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。通訊層通過“數(shù)據(jù)到達(dá)”事件將接收數(shù)據(jù)傳送給協(xié)議層。在事件函數(shù)的處理中，程序根據(jù)指令編號(hào)和流程信號(hào)燈管控協(xié)議進(jìn)程。因此，軟件工程師需要畫出清晰的應(yīng)答路由圖。在協(xié)議層中，一次完整的通訊流程實(shí)現(xiàn)一條計(jì)算機(jī)控制指令。所有在協(xié)議層實(shí)現(xiàn)的控制指令可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行組合。為實(shí)現(xiàn)某一功能而組成的控制指令序列，本文稱之為事務(wù)。

1.4 事務(wù)層。事務(wù)層是由可視化界面與事務(wù)管理進(jìn)程組成的軟件框架平臺(tái)。

可視化界面主要包括工控?cái)?shù)據(jù)的圖表顯示、預(yù)警、控制流程界面及系統(tǒng)設(shè)置等?？梢暬侵赣脩艨梢詫?shí)時(shí)觀測(cè)和干預(yù)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行。

事務(wù)管理進(jìn)程負(fù)責(zé)處理所有用戶定義的事務(wù)操作，并把過程和結(jié)果提交給可視化界面。事務(wù)管理進(jìn)程也是數(shù)據(jù)采集、端口偵聽和應(yīng)答服務(wù)的主要構(gòu)件。

事務(wù)層作為軟件框架平臺(tái)，可適應(yīng)不同用戶的工控需求。根據(jù)使用對(duì)象的不同，軟件可劃分為客戶版和調(diào)試版。通常在工控設(shè)備完全定型前，電子和機(jī)械工程師需要使用調(diào)試版對(duì)設(shè)備進(jìn)行硬件參數(shù)的設(shè)定。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 軟件需求。研制一臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化配液儀，其基本功能是把各種指定的源溶液批量移放到目標(biāo)容器中進(jìn)行混合（配液），主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)與配液儀通過串口相互連接。單片機(jī)中的軟件部分，已定義了與計(jì)算機(jī)間的通訊協(xié)議。

2.2 與機(jī)械專業(yè)的接口。配液儀的基本運(yùn)行流程如圖2。該流程共有七條控制指令，指令編號(hào)依次為11-17，構(gòu)成一次運(yùn)行事務(wù)。整個(gè)事務(wù)流程的設(shè)計(jì)歸入事務(wù)層，協(xié)議層的指令數(shù)據(jù)由通訊層發(fā)送和接收。

圖2 配液儀基本運(yùn)行流程

軟件從邏輯上控制機(jī)械構(gòu)件，除實(shí)現(xiàn)具體的機(jī)械動(dòng)作外，還要對(duì)各種可能出現(xiàn)的機(jī)械錯(cuò)誤進(jìn)行恢復(fù)處理。機(jī)械和電子工程師通常會(huì)給出機(jī)械錯(cuò)誤的明細(xì)表及處理方法。

處理事務(wù)流程時(shí)，還要注意機(jī)械構(gòu)件的碰撞問題：一些錯(cuò)誤的指令組合會(huì)導(dǎo)致碰撞。如：放液后，還沒有丟棄移液槍吸頭，就直接去取新的吸頭。所有的控制指令序列都要在邏輯上進(jìn)行審核并測(cè)試。

2.3 與電子專業(yè)的接口。最重要的接口是計(jì)算機(jī)與單片機(jī)間的通訊協(xié)議。以配液儀為例，連接方式使用串口R-232，波特率9600bps。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為：幀頭+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+指令編號(hào)+指令數(shù)據(jù)+校驗(yàn)和+幀尾。

數(shù)據(jù)幀的格式對(duì)于協(xié)議層的數(shù)據(jù)解析至關(guān)重要。如“放液”指令，指令編號(hào)為15，指令數(shù)據(jù)由兩個(gè)字節(jié)組成，前一個(gè)字節(jié)表示目標(biāo)容器位置，后一個(gè)字節(jié)表示放液的體積。

協(xié)議流程如圖3所示。這是一個(gè)典型的客戶端/服務(wù)器模式的應(yīng)答協(xié)議。設(shè)計(jì)算機(jī)為客戶端C，單片機(jī)為服務(wù)端S，流程的文字描述如下：

C：請(qǐng)求建立連接；

S：連接已建立，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；

C：發(fā)送數(shù)據(jù)幀，等待服務(wù)端響應(yīng)；

S：接收數(shù)據(jù)幀，如成功接收，響應(yīng)“數(shù)據(jù)接收成功”狀態(tài)碼，否則要求重發(fā)；

C：如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到服務(wù)端響應(yīng)或被要求重發(fā)，一定次數(shù)內(nèi)重發(fā)數(shù)據(jù)；如服務(wù)端已正常響應(yīng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)等待服務(wù)端的執(zhí)行狀況；等待超時(shí)，則指令失??；

S：解析數(shù)據(jù)幀，執(zhí)行相關(guān)指令，并返回指令執(zhí)行結(jié)果；

C：根據(jù)狀態(tài)碼判斷指令是否正常執(zhí)行；如果指令執(zhí)行正確，則關(guān)閉連接，通訊結(jié)束。

圖3 通訊協(xié)議流程

2.4 面向?qū)ο蟮膶哟位瘜?shí)現(xiàn)。配液儀軟件的控制功能主要由兩個(gè)類來實(shí)現(xiàn)：協(xié)議層的控制類clsMachine和通訊層的串口類clsComm。

UML類圖如圖4。可把類clsMachine看作是一臺(tái)虛擬的硬件設(shè)備。類中的操作定義對(duì)應(yīng)于圖2中的七條控制指令，指令的協(xié)議流程如圖3。類clsComm相當(dāng)于這臺(tái)虛擬設(shè)備的串口，操作列表中的數(shù)據(jù)發(fā)送方法（SendData）可自定義。

圖4 UML類圖

這種一層一類的軟件結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的層次化實(shí)例。當(dāng)軟件規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，一層中會(huì)出現(xiàn)平行的多個(gè)類。如通訊層中可能同時(shí)包含串口類和socket類，類clsMachine可選擇其中一個(gè)來進(jìn)行通訊。

類clsMachine在事務(wù)層中被調(diào)用，執(zhí)行如圖2所示的事務(wù)。事務(wù)通常被設(shè)計(jì)成一個(gè)由單向鏈表實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列，在不同的程序設(shè)計(jì)語言中有不同的實(shí)現(xiàn)方法。進(jìn)程始終執(zhí)行位于隊(duì)首的控制指令，執(zhí)行完畢后出隊(duì)；隊(duì)列為空時(shí)，事務(wù)結(jié)束。

3 結(jié)束語

把層次化方法引入工控軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是出于軟件工程管理的需要。軟件體系分層后，層與層間低耦合、高內(nèi)聚，有利于多層代碼間的并行開發(fā)，提高了代碼的可重用性。對(duì)企業(yè)而言，可降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)費(fèi)用。

在多專業(yè)領(lǐng)域合作下，層次化方法有助于軟件工程師理解工控系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。軟件與其它技術(shù)專業(yè)間的接口都可映射到層次結(jié)構(gòu)中去，所有的開發(fā)工作都能在統(tǒng)一的系統(tǒng)模型上進(jìn)行討論和擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tanenbaum A.S.Wetherall D.J.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].嚴(yán)偉，潘愛民，譯.北京：清華出版社，2012.

[2]James Rumbaugh，Ivar Jacobson，Grady Booch.UML參考手冊(cè)[M].UML China，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：李斌（1977-），男，江蘇蘇州人，工程碩士，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)與軟件工程研究。

作者單位：蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215006