徐萌飛, 周艷紅

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一種應用于推進系統(tǒng)的開放式通訊調(diào)測平臺

徐萌飛, 周艷紅

( 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064 )

在船用電力推進系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)常由多個部件組成。通過部件之間的通訊，指令下發(fā)、信息采集、故障告警等多種功能才得以實現(xiàn)。由于各部件之間的通訊接口多種多樣，如CAN、485、以太網(wǎng)等?？刹捎玫耐ㄓ崊f(xié)議也很多樣，標準協(xié)議和自定義協(xié)議都存在，所以通訊功能調(diào)測也變得重要且復雜。在調(diào)測通訊接口的過程中，采用輕量級的開放式測試平臺，比起等所有部件開發(fā)完畢后集中調(diào)試要更為便利。本文介紹了一種開放式通訊調(diào)測平臺的設計方案。此調(diào)測平臺可直接運行于各種pc或便攜機上，具有測試接口多樣、測試腳本可定制的優(yōu)點。在實際應用中，已取代了plc和觸摸屏等多種部件進行通訊功能的調(diào)測，給開發(fā)人員帶來了很大便利。

通訊調(diào)測平臺 軟件架構(gòu)設計 UML

0 引言

在船用電力推進系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)一般由多個部件組成，如上位機、集控設備、遠程監(jiān)控設備、帶通訊功能的觸摸屏、PLC、控制器等。各個部件之間需要進行指令、運行信息、模擬量、數(shù)字量、報警、故障等多種信息的通訊。通訊采用的接口形式也多種多樣，例如485、can、以太網(wǎng)等。采用的通訊協(xié)議也會根據(jù)實際情況采用標準協(xié)議（如modbus）或自定義協(xié)議。通過通訊接口，指令下發(fā)、信息采集、故障告警等多種功能得以實現(xiàn)。

由于控制系統(tǒng)中包含的各個部件開發(fā)進度不同，如果沒有方便的調(diào)測工具，先完成的部件將不得不等待其他部件開發(fā)完畢后才能通過雙方的通訊接口調(diào)試功能，從而影響了調(diào)試進度。

此外，在調(diào)試時，很多部件體積較大，連接線較多，攜帶不方便，每次要進行集成安裝后再調(diào)試會比較麻煩。

最后，不同的項目使用不同的通訊協(xié)議內(nèi)容，既有通用參數(shù)，也有本項目專用參數(shù)。而且在實際的測試過程中，通訊協(xié)議字段會根據(jù)實際需要做臨時變化，導致陪試部件要針對新的協(xié)議重新修改，編譯，調(diào)試。很容易影響調(diào)測效率。

為解決以上問題，開發(fā)了一種開放式通訊調(diào)測平臺，此平臺具有以下特點。1) 支持自定義消息腳本，通訊協(xié)議字段和內(nèi)容變化都可通過直接修改修改腳本文件實現(xiàn)，無需二次開發(fā)。支持通用標準協(xié)議如modbus協(xié)議等，也支持自定義協(xié)議；2) 支持多種通訊接口，包括485、can、以太網(wǎng)等；3) 軟件運行于win/PC平臺，pc和便攜機上均可運行，攜帶方便；4) 通訊過程可記錄日志，便于分析定位問題，支持定時調(diào)測。

1 系統(tǒng)概念性架構(gòu)設計

要完成此通訊調(diào)測平臺系統(tǒng)架構(gòu)設計，首先要根據(jù)功能，質(zhì)量和需求，規(guī)劃平臺需要解決的關鍵問題，形成概念性架構(gòu)設計。

在本項目中，主要對象包含三個部分，使用者，調(diào)測平臺以及被測對象。三者之間的關系是：使用者操作用戶界面，讓調(diào)測平臺發(fā)送符合測試要求的測試指令給被測對象，這些指令可以預先定義在消息腳本文件中，也可以通過界面實時創(chuàng)建。發(fā)送也可以定時或?qū)崟r發(fā)送。同時，調(diào)測平臺接收到被測試對象反饋回的消息后，根據(jù)通訊參數(shù)配置定義（用戶通過人機界面加載參數(shù)定義文件），將消息解析、顯示。

整個系統(tǒng)采用的分層架構(gòu)見圖1。由于涉及到通訊協(xié)議的解析，所以在接口管理層中，采用了常見的管道過濾器模式。在業(yè)務層為實現(xiàn)定時消息的有序發(fā)送和接收，采用了常用的生產(chǎn)者/消費者模式。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計細化

隨著UML(統(tǒng)一建模語言)的誕生，采用UML來描述4+1視圖模型也成為業(yè)界常用方法。4+1視圖模型主要采用邏輯視圖、開發(fā)視圖、進程視圖、物理視圖以及場景和動作序列來對軟件系統(tǒng)架構(gòu)進行表達，本次通訊調(diào)測平臺的架構(gòu)也采用這種方式。

2.1 用例視圖

用例視圖描述了對軟件架構(gòu)設計起關鍵作用的需求子集，是對問題領域的模擬抽象，建立了最終軟件系統(tǒng)的功能范圍，描述了參與者和系統(tǒng)之間的交互作用。

經(jīng)過對通訊調(diào)測平臺的需求分析，調(diào)測平臺主要通過人機界面和用戶交互，通過消息接口和被測系統(tǒng)進行交互。調(diào)測平臺需要支持以下主要功能：

1）選擇和配置通訊接口，并標識接口狀態(tài)（是否可用）；

2）可根據(jù)需要選擇和配置通訊協(xié)議；

3）可通過調(diào)測平臺加載消息腳本文件，然后實時或?qū)崟r發(fā)送消息；

4）支持在隨時自定義消息發(fā)送；

5）平臺接收到被測系統(tǒng)回復后，可根據(jù)用戶加載的參數(shù)定義文件，將接收到的消息按配置參數(shù)，系統(tǒng)狀態(tài)，告警和故障信息等分類顯示在界面上；

6）可通過平臺通訊功能下發(fā)配置參數(shù)給被測系統(tǒng)，也可以將從被測系統(tǒng)獲取的配置參數(shù)上傳到本地保存。

以上功能以用例圖形式展現(xiàn)，見圖2。

2.2 邏輯視圖

邏輯視圖描述的是設計的對象模型，包含整個軟件系統(tǒng)中最重要的設計類、包和子系統(tǒng)，最終將不同的職責分配給功能模塊、類等不同粒度的邏輯單元。一般采用協(xié)作圖來描述邏輯視圖，協(xié)作圖見圖3

在圖中可以看到，整個系統(tǒng)架構(gòu)采用了較多的factory設計模式，使用通用接口工廠類，屏蔽了對外接口的多樣性，便于以后支持的新的通訊接口。使用通用協(xié)議工廠類，屏蔽了通訊協(xié)議的多樣性，使得系統(tǒng)能支持各種標準通訊協(xié)議和自定義協(xié)議的消息封裝和解包。

此外，將推進系統(tǒng)中常用的通訊書劃分為三大類：配置參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、故障和告警。

使用Facade模式，為內(nèi)容解析服務提供統(tǒng)一的接口。從而用戶可根據(jù)需要，使用自定義或他人已定義的參數(shù)文件，對消息進行解析，無需重復開發(fā)代碼。當協(xié)議內(nèi)容或字段變化時，也不用修改軟件，直接修改配置文件，使得開發(fā)工作量降低為配置工作量。從而將研發(fā)人員在測試中的重點集中于協(xié)議參數(shù)內(nèi)容和被測試對象的業(yè)務流程處理和響應上，進一步提高了效率。

2.3 實現(xiàn)視圖

實現(xiàn)視圖描述了開發(fā)環(huán)境中軟件的靜態(tài)組織結(jié)構(gòu)，包含了按模塊劃分為包和層的模型組織。描述了將邏輯視圖中的包和類分配到實現(xiàn)過程中的包和類。本系統(tǒng)構(gòu)件圖見圖4。從實現(xiàn)視圖可知，概念架構(gòu)設計中的分層原則已經(jīng)落地于構(gòu)件群中。窗體界面構(gòu)件體現(xiàn)了概念架構(gòu)中的展現(xiàn)層，包括收發(fā)消息的顯示，實時消息的修改，配置參數(shù)的配置，定時間隔的設置，接口的選擇和參數(shù)配置等功能。概念架構(gòu)設計中的業(yè)務層，主要由參數(shù)內(nèi)容解析服務組件，消息隊列管理組件，消息發(fā)送服務組件，消息接收服務組件構(gòu)成，實現(xiàn)參數(shù)解析，消息發(fā)送和接收，消息隊列管理功能。而日志處理、參數(shù)定義處理和消息腳本處理三個組件，共同構(gòu)成了概念架構(gòu)設計中的數(shù)據(jù)管理層。最后，接口類組件和協(xié)議類組件實現(xiàn)了概念架構(gòu)設計中接口管理層的功能。

2.4 進程視圖

進程視圖包含所涉及任務（進程和線程）的描述以及任務的交互、配置, 關注的不僅僅是構(gòu)件靜態(tài)的依賴關系，而是體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的運行架構(gòu)。進程視圖關注進程和線程等對象運行時的并發(fā)、同步、通信，并關注他們之間的交互。因篇幅限制，此處不過多描述。

2.5 部署視圖

部署視圖描述了軟件到硬件的映射，包含對平臺的實際運行節(jié)點的描述。本次調(diào)測平臺為了方便使用，只需要部署在一臺pc或者便攜機上，部署非常簡單，所以此處不再贅述。

3 總結(jié)

軟件體系架構(gòu)描述了軟件系統(tǒng)中的最基本的結(jié)構(gòu)組織，通常提供了一組已定義好的子系統(tǒng)或者構(gòu)件，指定其職責，并給出把他們組織在一起的描述和表達。通過軟件體系架構(gòu)設計，可以清晰表達系統(tǒng)的功能和運作特性，從概念上清晰分析，從而能將一些常用的設計模式應用其中，減少設計遺漏和重復代碼，避免系統(tǒng)包含過多隱含缺陷和累贅。

本文通過4+1視圖表示法，描述了應用于推進系統(tǒng)的開放式通用通訊調(diào)測平臺的實現(xiàn)機制，展示了平臺通用性和靈活性。此平臺在實際應用中，也取得了良好的效果。未來在此基礎上，將進一步擴展接口的靈活性，爭取實現(xiàn)接口定義插件化，讓更多的應用者能夠在此基礎上獨立擴展接口。同時，對消息性能測試，也是新版本實現(xiàn)的方向之一。期待此軟件在未來的推進系統(tǒng)通訊測試中發(fā)揮更大功效。

[1] 杜育根. IBM RUP方法實踐 . 機械工業(yè)出版社, 2013.

[2] 溫昱. 軟件架構(gòu)設計. 電子工業(yè)出版社, 2010.

[3] Gamma&Helm&Johnson&Vlissides. 設計模式. 機械工業(yè)出版社, 2000.

[4] 佚名. UML教程. www.ChinaPub.com .

An Open Communication Test Platform for Marine Electric Propulsion System

Xu Mengfei, Zhou Yanhong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064 , China)

TP202

A

1003-4862（2014）09-0018-04

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

徐萌飛(1976-), 男，高級工程師。研究方向：控制工程、軟件工程。