王旭寧，郭曉寧，陳玉峰，方 正，王龍洋

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一種通用的可視化嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王旭寧，郭曉寧，陳玉峰，方 正，王龍洋

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

目前可視化編程在嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)中的使用已經(jīng)成為一種趨勢，提出了一種通用的可視化嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。在本平臺(tái)中通過圖形化編程來開發(fā)應(yīng)用程序，使應(yīng)用開發(fā)人員從繁瑣的手工編寫代碼中解脫出來，從而專注于業(yè)務(wù)邏輯的研究。同時(shí)本平臺(tái)具有通用性，不限定硬件平臺(tái)，不限定應(yīng)用程序類型，可靈活的擴(kuò)展其支持的硬件平臺(tái)和元件庫，從而可支持在各種硬件平臺(tái)上開發(fā)各種業(yè)務(wù)類型的應(yīng)用程序。最后通過一個(gè)過流保護(hù)應(yīng)用實(shí)例來說明本平臺(tái)開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序的流程。

可視化；通用；嵌入式；應(yīng)用程序；應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，同時(shí)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的性能要求也越來越高。運(yùn)用傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，語句代碼繁瑣、界面不美觀、調(diào)試麻煩、升級(jí)困難等不足愈發(fā)突出。利用可視化編程環(huán)境進(jìn)行嵌入式應(yīng)用開發(fā)，不僅使程序界面美觀和友好，而且省時(shí)、省力、擴(kuò)充性強(qiáng)[1-4]。目前很多廠家都開發(fā)有自己的可視化開發(fā)工具，但大多針對(duì)某一硬件平臺(tái)和某一領(lǐng)域[5-6]。比如許繼的可視化邏輯設(shè)計(jì)工具，只是針對(duì)NPU-800硬件平臺(tái)開發(fā)繼電保護(hù)程序，其優(yōu)點(diǎn)是目標(biāo)明確，可針對(duì)該平臺(tái)做大量的業(yè)務(wù)積累，進(jìn)而縮短開發(fā)周期，但缺點(diǎn)就是針對(duì)性太強(qiáng)，如果更換其他的硬件平臺(tái)或應(yīng)用程序類型就不能使用。

本文提出了一種通用的可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)具有美觀友好的界面環(huán)境，且不限定硬件平臺(tái)和應(yīng)用程序類型，從編程、生成程序到仿真、調(diào)試和下載程序都可在該平臺(tái)上完成，應(yīng)用開發(fā)人員不需要有很強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)知識(shí)和編程能力就能開發(fā)出高質(zhì)量的應(yīng)用程序。

1 可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)

平臺(tái)采用數(shù)據(jù)流模型的體系結(jié)構(gòu)，提供交互方便的可視化編程界面，用戶從元件庫中選取所需的可視化元件，直接構(gòu)造可視化應(yīng)用實(shí)例，把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化為一種通過定義和連接代表各種功能元件的圖標(biāo)來建立應(yīng)用程序[7-9]。

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每一個(gè)硬件平臺(tái)都有一個(gè)平臺(tái)庫與其對(duì)應(yīng)，平臺(tái)庫提供對(duì)硬件平臺(tái)的訪問和控制的功能。所有平臺(tái)庫提供統(tǒng)一的接口，應(yīng)用邏輯和平臺(tái)庫相隔離，應(yīng)用邏輯的搭建與具體平臺(tái)無關(guān)，只需調(diào)用統(tǒng)一的平臺(tái)接口即可。同時(shí)，平臺(tái)提供豐富的與硬件平臺(tái)無關(guān)的功能元件庫供應(yīng)用邏輯調(diào)用。在構(gòu)建時(shí)只需選擇相應(yīng)的硬件平臺(tái)就可以生成目標(biāo)機(jī)對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行程序，應(yīng)用邏輯無需做任何修改就可以從一個(gè)硬件平臺(tái)切換到另一個(gè)硬件平臺(tái)。

在該可視化開發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)下，只需添加相應(yīng)的平臺(tái)庫即可自由擴(kuò)展硬件平臺(tái)，從而可開發(fā)不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用程序；與此同時(shí)，本平臺(tái)可方便地將新的平臺(tái)庫集成到本平臺(tái)中，也可以將使用本平臺(tái)或其他開發(fā)工具開發(fā)的元件集成到本平臺(tái)中。本平臺(tái)結(jié)構(gòu)下的硬件平臺(tái)對(duì)開發(fā)人員透明，開發(fā)人員不需了解板卡的CPU架構(gòu)、外圍設(shè)備，也不需了解平臺(tái)如何初始化寄存器，應(yīng)用程序的啟動(dòng)流程等，只需通過拖選元件和連線的方式搭建自己的邏輯即可開發(fā)應(yīng)用程序。

1.2 平臺(tái)功能

本可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)將應(yīng)用程序開發(fā)人員從繁瑣的代碼編寫中解脫出來，開發(fā)人員只要精于業(yè)務(wù)邏輯就能開發(fā)出高質(zhì)量的應(yīng)用程序，真正實(shí)現(xiàn)了開發(fā)可視化、平臺(tái)通用化、平臺(tái)透明化和平臺(tái)開放化。該平臺(tái)主要包括以下功能。

(1) 編寫應(yīng)用程序

平臺(tái)提供了一個(gè)友好的操作環(huán)境，用戶在可視化平臺(tái)的編輯界面下，通過調(diào)用元件，然后根據(jù)相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯和算法，搭建應(yīng)用邏輯，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序功能。

(2) 編寫靜態(tài)庫

在用戶編寫應(yīng)用程序的過程中，對(duì)“重復(fù)模塊”需要抽離出來創(chuàng)建用戶元件。對(duì)于有一定編程基礎(chǔ)的人員來講可以通過編寫源代碼來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于編程基礎(chǔ)較薄弱的用戶來說，可以直接通過在本平臺(tái)中圖形化編程來搭建邏輯，生成靜態(tài)庫。生成的靜態(tài)庫可以集成到本平臺(tái)中以擴(kuò)展用戶元件庫，也可以提供給源代碼開發(fā)的工程調(diào)用。

(3) 邏輯檢查功能

邏輯搭建完成后，可通過邏輯檢查功能對(duì)已有邏輯進(jìn)行元件輸入未初始化、連線兩端類型不匹配等進(jìn)行檢查，保證了邏輯的正確性，同時(shí)對(duì)數(shù)組越限等潛在的危險(xiǎn)操作進(jìn)行驗(yàn)證，保證程序正確穩(wěn)定的運(yùn)行。

(4) 程序下裝功能

程序構(gòu)建完成后，可通過平臺(tái)將目標(biāo)程序下裝到目標(biāo)板卡中?？筛鶕?jù)實(shí)際情況來選擇bootloader或J-LINK等方式燒寫程序。

(5) 仿真功能

應(yīng)用邏輯搭建完成后可將生成的代碼編譯成PC機(jī)上的可執(zhí)行程序，并提供界面進(jìn)行仿真，可通過仿真界面設(shè)置輸入值并顯示輸出值及運(yùn)行日志，驗(yàn)證程序功能。

(6) 調(diào)試功能

調(diào)試功能是對(duì)圖形編程必需的驗(yàn)證手段，沒有這個(gè)手段可視化編程就失去了應(yīng)用的實(shí)際條件。在邏輯搭建完成后可通過本平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試。

1.3 元件庫

嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)過程就是拖選元件，進(jìn)行邏輯搭建的過程，在本平臺(tái)中可用的元件包括以下幾種。

(1) C元件

C語言中具備的基本功能元件，如條件執(zhí)行模塊、循環(huán)執(zhí)行模塊、與或門元件以及一些常用的功能函數(shù)元件。

(2) 通用元件

一些與硬件平臺(tái)無關(guān)的元件，所有硬件平臺(tái)都可使用，如傅氏計(jì)算元件、延時(shí)展寬元件等。

(3) 平臺(tái)元件

與硬件平臺(tái)相對(duì)應(yīng)的平臺(tái)庫中的元件，如時(shí)鐘定時(shí)器元件，以及一些外圍設(shè)備操作元件等。

(4) 用戶元件

應(yīng)用程序的開發(fā)中，通過對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行研究，把常用的“重復(fù)模塊”抽出，把這些功能相似的模塊進(jìn)行簡化、統(tǒng)一化，形成用戶元件，使之成為能適用于多個(gè)應(yīng)用程序的元件。

2 應(yīng)用程序開發(fā)模式

在本文設(shè)計(jì)的可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)下，嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)流程

在嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)過程中，通常在一個(gè)硬件平臺(tái)上可能要開發(fā)很多應(yīng)用程序，如果每個(gè)程序開發(fā)人員進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，會(huì)造成平臺(tái)庫的重復(fù)開發(fā)，而且平臺(tái)庫的開發(fā)水平也得不到有效保障[10]，因此本平臺(tái)將嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)分為以下兩個(gè)階段。

(1) 平臺(tái)開發(fā)階段

平臺(tái)開發(fā)需要有很強(qiáng)的嵌入式開發(fā)能力，交由專業(yè)的開發(fā)人員開發(fā)，新增一個(gè)硬件平臺(tái)時(shí)，要根據(jù)其原理圖和開發(fā)文檔編寫其平臺(tái)庫，并按要求提供統(tǒng)一的接口。平臺(tái)庫必須經(jīng)過嚴(yán)格測試，保證其正確性和穩(wěn)定性，開發(fā)完成后提交給平臺(tái)。

(2) 應(yīng)用開發(fā)階段

應(yīng)用程序由熟悉業(yè)務(wù)邏輯的人員進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)首先根據(jù)目標(biāo)板卡選擇平臺(tái)庫，然后根據(jù)應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯通過拖選元件和連線來進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的搭建，邏輯搭建完成后就可以在平臺(tái)上交叉編譯生成目標(biāo)程序，將目標(biāo)程序下載到目標(biāo)板卡，也可以在沒有目標(biāo)板卡的條件下對(duì)已搭建的邏輯在平臺(tái)上進(jìn)行仿真，模擬輸入和輸出，驗(yàn)證應(yīng)用程序的正確性。

3 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

該可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)使用Qt作為開發(fā)平臺(tái)，具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性和友好的用戶界面，其用戶主界面如圖3所示，從應(yīng)用程序工程的創(chuàng)建、邏輯搭建到構(gòu)建、仿真、下載全部在該主界面中完成。

在本平臺(tái)中，項(xiàng)目管理區(qū)用于管理編輯的項(xiàng)目，可對(duì)工程中的初始化、任務(wù)、功能單元、圖形用戶界面、全局變量等進(jìn)行管理；邏輯編輯區(qū)用于對(duì)在項(xiàng)目管理中打開的邏輯進(jìn)行圖形化編輯；屬性區(qū)用于對(duì)顯示當(dāng)前選擇對(duì)象的屬性進(jìn)行顯示和編輯，如任務(wù)的屬性、當(dāng)前選擇元件的屬性等；資源庫顯示當(dāng)前可用的資源，當(dāng)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)容為可用的元件，當(dāng)進(jìn)行用戶圖形界面設(shè)計(jì)時(shí)為可用的控件；消息中心用于顯示邏輯檢查，構(gòu)建和操作過程中的信息提示，對(duì)于邏輯檢查可雙擊內(nèi)容定位到中心編輯區(qū)的圖形上；導(dǎo)航用于對(duì)當(dāng)前的邏輯編輯界面進(jìn)行導(dǎo)航。

圖3 開發(fā)平臺(tái)主界面

3.1 平臺(tái)擴(kuò)展

在本開發(fā)平臺(tái)中有一個(gè)資源目錄，用于存放各硬件平臺(tái)對(duì)應(yīng)的平臺(tái)庫，如果要使用本平臺(tái)基于新的硬件平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用程序，首先要擴(kuò)展平臺(tái)庫。平臺(tái)庫是由平臺(tái)開發(fā)人員按照要求進(jìn)行開發(fā)，并按規(guī)定格式提供統(tǒng)一的接口，開發(fā)完成后進(jìn)行嚴(yán)格測試，測試合格后按照開發(fā)平臺(tái)規(guī)定的目錄結(jié)構(gòu)放入資源目錄，開發(fā)平臺(tái)能夠自動(dòng)識(shí)別，完成支持平臺(tái)的擴(kuò)展，在新建工程時(shí)就能選擇新的平臺(tái)庫，工程創(chuàng)建完成后在元件庫中顯示該平臺(tái)可用的元件，項(xiàng)目管理中顯示該平臺(tái)的裝置模型配置表，這樣就可以基于新的硬件平臺(tái)開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序了。

3.2 平臺(tái)切換

在實(shí)際應(yīng)用中存在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行同一套邏輯，或者將一套邏輯從一個(gè)硬件平臺(tái)移植到另一硬件平臺(tái)的情況。在本開發(fā)平臺(tái)中邏輯和硬件平臺(tái)庫相隔離，且要求所有硬件平臺(tái)庫提供統(tǒng)一的接口，所以可以實(shí)現(xiàn)在邏輯不做任何改動(dòng)的情況下目標(biāo)硬件平臺(tái)的自由切換，輕松實(shí)現(xiàn)邏輯的移植。當(dāng)然，在平臺(tái)進(jìn)行切換時(shí)會(huì)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)庫進(jìn)行一系列的檢查，如平臺(tái)庫目錄是否正確、邏輯調(diào)用元件是否存在等，保證平臺(tái)切換后邏輯環(huán)境的正確性。

3.3 元件擴(kuò)展

在應(yīng)用程序的開發(fā)過程中，對(duì)于重復(fù)使用的邏輯或算法，可以將其提取出來制作成元件，這樣可以防止相同邏輯的重復(fù)編寫，也能簡化應(yīng)用程序的邏輯圖，降低開發(fā)難度。可使用本平臺(tái)或常用的嵌入式開發(fā)工具將公用邏輯或算法開發(fā)成靜態(tài)庫，并按規(guī)定格式要求編寫其說明文件，并放進(jìn)平臺(tái)庫的指定目錄下完成元件的擴(kuò)展。同樣，擴(kuò)展的元件也要經(jīng)過嚴(yán)格測試才能集成到平臺(tái)庫中去，以保障應(yīng)用邏輯的正確性和穩(wěn)定性。

3.4 應(yīng)用程序開發(fā)

在主界面中通過拖選資源庫中的元件到邏輯編輯區(qū)，使用連線關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)和元件的引腳來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的邏輯搭建，在應(yīng)用程序邏輯搭建完成后，可以在中心繪圖區(qū)查看已搭建邏輯對(duì)應(yīng)的程序代碼，使用此平臺(tái)默認(rèn)的交叉編譯鏈對(duì)程序代碼進(jìn)行構(gòu)建，生成在開發(fā)板運(yùn)行的目標(biāo)程序。

下面以一個(gè)低電壓方向閉鎖的過流保護(hù)為例來說明在該平臺(tái)下應(yīng)用程序的開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1) 新建一個(gè)工程，根據(jù)硬件平臺(tái)選擇相應(yīng)的平臺(tái)庫；

(2) 配置模入配置表，添加過流保護(hù)使用到的A相電流、B相電流、C相電流等數(shù)據(jù)，并對(duì)其屬性進(jìn)行設(shè)置，在后續(xù)的邏輯實(shí)現(xiàn)中如發(fā)現(xiàn)缺少某些數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不正確時(shí)可進(jìn)行添加或修改；

(3) 配置開出配置表、定值配置表和狀態(tài)配置表等，添加過流保護(hù)動(dòng)作、過流保護(hù)定值及延時(shí)、過流保護(hù)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，配置方法同模入配置表；

(4) 創(chuàng)建一個(gè)過流保護(hù)任務(wù)，在任務(wù)中創(chuàng)建多個(gè)組合模塊，每個(gè)組合模塊可完成一個(gè)獨(dú)立功能，也可完成一個(gè)復(fù)雜的邏輯，如低電壓閉鎖邏輯、方向閉鎖邏輯、過流保護(hù)邏輯等；

(5) 通過可視化編程來實(shí)現(xiàn)每個(gè)組合模塊的功能，下面重點(diǎn)介紹過流保護(hù)邏輯，過流保護(hù)的邏輯圖如圖4所示。

低壓開放邏輯為在沒有PT異常情況下任意一個(gè)線電壓低于低電壓定值時(shí)動(dòng)作開放保護(hù)，由C元件搭建完成。方向滿足邏輯為在沒有PT異常情況下方向滿足時(shí)動(dòng)作開放保護(hù)，可用已實(shí)現(xiàn)好的用戶元件，功率方向繼電器元件來完成。PT異常告警邏輯為當(dāng)PT異常退電壓控制字投入且PT異常告警時(shí)動(dòng)作。過流保護(hù)動(dòng)作條件為：在滿足低電壓與方向開放保護(hù)或PT異常告警條件下，相電流大于電流定值且延時(shí)大于過流保護(hù)整定延時(shí)。根據(jù)邏輯圖通過拖選元件和連線搭建出對(duì)應(yīng)的可視化保護(hù)程序，如圖5所示。邏輯搭建完成后，可由邏輯頁面切換到代碼頁面查看自動(dòng)生成的代碼；

(6) 點(diǎn)擊工具欄上的“構(gòu)建”按鈕，完成過流保護(hù)程序的構(gòu)建，生成可直接在裝置中運(yùn)行的目標(biāo)程序。

圖4 過流保護(hù)邏輯圖

圖5 過流保護(hù)可視化程序圖

4 結(jié)束語

在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中運(yùn)用可視化編程對(duì)嵌入式行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。文中提出的可視化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)采用圖形開發(fā)的方式而不是傳統(tǒng)的代碼編寫，將程序開發(fā)人員從繁瑣的代碼編寫中解脫出來，只需研究業(yè)務(wù)邏輯，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯拖動(dòng)元件搭建邏輯圖即可實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的開發(fā)。同時(shí)，本平臺(tái)具有通用性，不針對(duì)某一硬件平臺(tái)和某一應(yīng)用程序類型，可方便地?cái)U(kuò)展其支持的硬件平臺(tái)和元件庫。使用可視化編程編出來的程序可靠性得到大大的提高，同時(shí)還具有簡單、靈活、可靠、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅大大提高了工作效率，而且也可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此可以預(yù)見本平臺(tái)在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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(編輯 姜新麗)

Design and implementation of a universal visual embedded application development platform

WANG Xuning, GUO Xiaoning, CHEN Yufeng, FANG Zheng, WANG Longyang

(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

The visual programming in embedded application development has become a trend at present, this paper presents a universal visual embedded application development platform. Application developers can develop application through visual programming in the platform, which make them free from cumbersome manual coding, then they can focus on the research of business logic. At the same time, this platform is universal, it is neither restricted to hardware platform nor restricted to application type. As it can expand the supported hardware platform and component library flexibly, it can be used to develop application of various kinds of business types in various kinds of hardware platform. Finally, we demonstrate the development process of embedded application in this platform through an example of over-current protection.

visual; universal; embedded; application; application development platform

10.7667/PSPC151294

2015-07-27；

2015-10-13

王旭寧(1984-)，男，碩士研究生, 工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究與開發(fā)工作；E-mail: wangxuning@ xjgc.com 郭曉寧(1984-)，女，碩士研究生, 工程師，從事繼電保護(hù)產(chǎn)品研發(fā)工作；E-mail: guoxiaoning@xjgc.com 陳玉峰(1975-)，男，本科，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究與開發(fā)工作。E-mail: yufengch@ xjgc.com