（信号与信息处理专业论文）嵌入式系统设计方法研究与嵌入式避障机器人的实现.pdf

中文摘要 随着计算机产业的发展与变革，嵌入式系统的研发已经成为目前的热门领域。 从最初的单片机结构到现在带有专门操作系统的嵌入式结构，嵌入式系统的需求 复杂性日益提高，规模也在逐步扩大，因此如何设计复杂的嵌入式系统也就成了 目前需要讨论的一个重要课题。然而，传统的嵌入式系统设计方法没有统一的标 准，开发过程中人为因素影响严重，并且在软硬件协同设计方面缺乏灵活性和有 效的联系手段，使得嵌入式系统在效率、成本等方面存在不足。因此本文主要对嵌 入式系统设计方法进行了研究，提出基于u m l 的嵌入式系统建模方法和采用可重 用设计方法的软硬件协同设计。并通过对嵌入式避障机器人系统的设计实例具体 说明了各种嵌入式系统设计方法的应用过程。 本文首先通过研究现有的u m l 技术，结合嵌入式系统开发中所存在的问题， 提出了一种基于u m l 的嵌入式系统建模方法。并通过嵌入式避障机器人的成功设 计实例证明了其有效性。 在嵌入式系统设计中提出了一种适合软硬件协同设计的新方法，此方法基于 可重用设计方法学并对其进行了拓展，延伸出了基于可重构平台的系统级设计方 法和利用可测性算法的可重用设计方法。同时借助嵌入式避障机器人设计与实现 的实例阐述了这两种可重用设计方法对嵌入式系统设计的作用。并且通过对嵌入 式系统设计和开发的经历和经验的总结，详细论述了如何结合需求和不同嵌入式 平台特点，探讨合理的嵌入式系统应用方案。 在避障机器人设计与实现的过程中根据设计需求，在特定应用环境下对传统 的人工势场机器人避障算法进行了改进，提出了一种改进的人工势场算法，并在 实际应用环境中取得了很好的效果。 在机器人无线视频传输系统的开发中对基于网络自适应技术的网络视频实时 传输进行了研究和实验并得出了一套比较有效的网络自适应调节方法。降低了视 频实时传输对网络的要求，提高了视频传输的实时性。 关键词：嵌入式系统设计；u m l ；可重用设计方法学；机器人；人工势场算法； 分类号：t p 3 6 8 2 a bs t r a c t a l o n gw i t hd e v e l o p m e n ta n dr e v o l u t i o no fc o m p u t e ri n d u s t r y , t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mh a v ec o m et oo n eo ft h ec u r r e n ta r o u s i n gp o p u l a r i n t e r e s t s f r o mt h ei n i t i a ls i n g l e - c h i pp r o c e s s o rs t r u c t u r et ot h ep r e s e n te m b e d d e d s t r u c t u r e 、) l r i l s p e c i a l i z e do p e r a t i o n a ls y s t e m , t h en e e df o re m b e d d e ds y s t e mh a s b e c o m em o r ec o m p l e xa n de x p a n d e dt h a nb e f o r e f o rt h i sr e a s o n , t h es u b j e c to nh o wt o d e s i g nc o m p l i c a t e de m b e d d e d s y s t e mg a i n sm o r ea t t e n t i o n h o w e v e r , f o rw i t h o u t u n i f i e dd e s i g ns t a n d a r d ；b e i n gb a d l ya f f e c t e db ya r t i f i c i a lf a c t o r , l a c k i n go ff l e x i b i l i t y a n de f f e c t i v ec o n n e c t i v em e t h o di nt h ec o - d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h e t r a d i t i o n a le m b e d d e ds y s t e mh a sd r a w b a c k si ne f f i c i e n c ya n dc o s t t h et h e s i sr e s e a r c h e s m a i n l yo nt h em e t h o do fe m b e d d e ds y s t e md e s i g n , p u t t i n gf o r w a r dam o d e l i n gm e t h o d b a s e do nu m le m b e d d e ds y s t e ma n das o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o - w o r ks y s t e md e s i g n m e t h o dw h i c hb a s e do nr e u s a b l ed e s i g nm e t h o d b e s i d e s ，t h et h e s i sa l s oe x p l a i n st h e a p p l i c a t i o np r o c e s so fs o r t so fe m b e d d e d - s y s t e m sd e s i g nm e t h o d sb yt a k i n gt h ed e s i g n o fe m b e d d e do b s t a c l ea v o i d a n c er o b o ta se x a m p l e f i r s to fa l l ，b e i n gc o m b i n e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fe x i s t i n gp r o b l e m so f e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r da m o d e l i n gm e t h o db a s e do n u m le m b e d d e ds y s t e mt h r o u g hr e s e a r c h i n go nc u r r e n tu m l t e c h n i q u e i ne m b e d d e ds y s t e md e s i g n ，an e wm e t h o d ，t h er e u s a b l ed e s i g nm e t h o d ，w h i c hf i t s f o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o d e s i g n ，h a sb e e na p p l i e da n de x p a n d e d ，a n dr e s u l t si nt w o r e u s a b l ed e s i g nm e t h o d s ，w h i c ha r es y s t e md e s i g nm e t h o db a s e do nr e c o n f i g u r a b l e p l a t f o r ma n dd e s i g nm e t h o dw h i c he x c i s e st e s t a b i l i t ya l g o r i t h ma si t sw a y m e a n w h i l e ， t h ee x a m p l eo fo b s t a c l ea v o i d a n c er o b o ta l s oe l a b o r a t e so nh o wt o a p p l yt h et w o a b o v e m e n t i o n e dr e u s a b l ed e s i g nm e t h o d si ne m b e d d e ds y s t e m b ys u m m a r i z i n gt h e e x p e r i e n c eo fe m b e d d e ds y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t , t h et h e s i si l l u s t r a t e si nd e t a i l s h o wt oc o m b i n et h er e q u i r e m e n t sa n df e a t u r e so fd i f f e r e n te m b e d d e ds y s t e m st ob r i n g f o r w a r dar e a s o n a b l ee m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o np r o g r a m i nl i n ew i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fs p e c i a l a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tf o r o b s t a c l ea v o i d a n c er o b o t ，t h et r a d i t i o n a la r t i f i c i a l p o t e n t i a lf i e l do b s t a c l ea v o i d a n c e a l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e da n da c h i e v e dg o o dr e s u l t si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h ed e v e l o p m e n to fr o b o tw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m ，n e t w o r kv i d e o r e a lt i m et r a n s m i s s i o ni so p e r a t e do nt h eb a s i so fn e t w o r ks e l f - a d a p t i v et e c h n o l o g y r e s e a r c hh a sb e e nm a d eo i li ta n dl e a dt oam o r ee f f e c t i v en e t w o r ks e l f - a d a p t i v e a d j u s t m e n tm e t h o d ，w h i c hh e l p st or e d u c et h er e q u i r e m e n t so n n e t w o r ka n di m p r o v et h e r e a l t i m et r a n s m i s s i o na b i l i t y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e md e s i g n ；u m l ；r e u s em e t h o d o l o g ym a n u a l ；r o b o t ； a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l dm e t h o d s ； c l a s s n 0 ：t p 3 6 8 2 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇瑚雹签字啉洲( 7 年7 月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 、 弋甜l 签字日期：加呷年7 , 9f f 日 签字日期：让唧年月c ) 日 致谢 本论文的工作是在我的导师丁晓明老师的悉心指导下完成的，丁晓明老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢几年来 丁老师对我的关心和指导。 丁晓明老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向丁老师表示衷心的谢意。 裘正定老师、孙东梅老师、王升辉老师、杨唐文老师对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，程新宇、周荣、吴倩倩、赵颂、叶永鑫等同 学对我论文中的嵌入式机器人系统研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 引言 在过去的十几年里，嵌入式系统的研发技术得到了很大的发展，尤其是嵌入 式系统开发环境的发展，使嵌入式应用系统变得开放而易于开发，从而促进了嵌 入式技术的广泛应用。然而，伴随着嵌入式应用的不断增长，嵌入式系统的需求 复杂性、不确定性也在不断地提高，系统规模越来越大，而对产品的研发周期要 求又在不停地缩短，这就给嵌入式系统的开发带来了新的挑战。而且嵌入式系统 常常用于关键设备或过程的控制，因而必须具有高度的可靠性和鲁棒性。同时， 嵌入式系统的开发者必须面对由于芯片性能的增长、嵌入式操作系统平台等技术 方面的不断变化所带来的压力。根据近期的资料统计，在欧洲有3 4 的嵌入式系 统项目在开发过程中被迫取消，7 2 7 的系统在产品开发完成时成本已超出预算的 5 0 i 。因此，面对复杂的嵌入式系统，如何在开发过程中提高效率和质量，降低 系统成本和风险，便成了嵌入式系统设计过程中的热点讨论问题，而传统的嵌入 式系统开发方法则面临着严峻的挑战。 目前，尽管有许多工具可用于嵌入式系统的开发，包括各种各样的嵌入式微 处理器及其配套的板卡、许多不同的代码编译器、调试器、仿真器及综合的集成 开发环境，但实际的研发实践中嵌入式系统的开发方法仍然没有太大的突破。主 要的问题在于高层次的系统分析抽象阶段( 包括需求分析、描述与设计) 与目标 环境中的开发编程阶段( 包括代码的编写与测试) 之间几乎没有中间步骤，这两者之 间几乎是分离的，整个系统的开发往往是从很多具体的技术细节开始的，对系统 根本没有一个全面而清晰的了解。此外，系统开发过程中没有一个统一的标准作 为指导，使得系统研发过程中人为因素影响严重，并且在软硬件协同设计方面缺 乏灵活性和有效的联系手段。开发出来的系统在效率、成本等方面存在不足。因 此对嵌入式系统建模、设计和改进方法的研究就显得尤为重要了。 面向对象的分析与设计方法由于内在地支持了对系统的分解、抽象、模块化 和复用技术，能够有效地提高软件生产率，缩短开发时间，提高系统质量，很好 地控制系统的复杂性1 2 i ，因而已经被广泛地应用于各种应用系统的开发过程中，并 取得了很大的成功。u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 统一建模语言) 作为面向对象 设计技术的代表在系统设计中已经获得了广泛的认可，在很多领域中也已经有了 成功的应用。 u m l 是作为元符号的标准而出现的，它被应用到软件世界去定义面向对象的 软件系统的许多方面，在嵌入式系统领域也同样获得了极大的关注。因为它很可 能作为一种方法去提高那些生产力能够被证明的领域的抽取水平，能够很容易识 别错误并加以改正，能够提供更好的文件，并且嵌入式系统的设计者能够更有效 地协作例。u m l 采用可视化建模工具，通过对嵌入式系统需求、分析、设计、制 作、测试和维护过程的结构特征和行为特征进行统一的工程化描述1 4 i ，从而能使开 发者对所开发的系统有准确而全面的了解。正是因为这些特点，将u m l 分析建模 的构建方法与相应的集成和测试策略相结合，可以使高质量的嵌入式系统的设计 建模更为容易，从而在某种程度上解决了目前嵌入式系统开发所面临的问题和挑 战。 在嵌入式系统的设计方面，目前广泛采用的是软硬件协同设计的设计方法1 5 l ， 它是一种在设计过程的最初阶段就将软件与硬件两个方面结合起来考虑，以获得 设计的灵活性与功能的有效分配的一种设计方法。 可重用设计方法学是从现在复杂芯片设计中产生出来的。因为采用当今的电 子设计自动化工具和半导体制造工艺已经允许人类设计并制造出包含几亿个晶体 管的超大规模集成电路。从而使得以往由许多芯片组成的电子系统集成在一个单 片硅片成为可能，构成所谓的片上系统( s o c ) 或可编程片上系统( s o p c ) 芯片。与 普通的集成电路相比，系统芯片不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采 集、处理和输入输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系 统芯片1 6 i 。随着芯片制造工艺的变化，芯片的设计方法也发生了巨大的改变。现在 复杂芯片设计中最常用的方法是采用可重用设计，就是使用以前设计完成且已经 过验证的知识产权核进行系统构架。 利用可重用设计方法对嵌入式系统进行软硬件协同设计与传统的嵌入式系统 设计方法相比有在系统设计灵活性、系统的软硬件双可裁减性、软硬件划分、可 测性算法的可复用性等方面都具有明显的优势，利用这种方法对嵌入式系统进行 设计，可以很好的解决目前嵌入式系统设计所面临的在软硬件协同设计、系统开 发效率、成本等方面存在的问题和风险。 1 2 课题现状及选题背景、目的及意义 1 2 1 国内外研究现状 当前嵌入式系统设计方法的研究中，关于对嵌入式系统软硬件统一建模的问 题的研究是该领域的热点问题之一。而u m l 定义良好、易于表达、功能强大，不 2 仅支持面向对象的分析与设计，而且支持从需求分析开始的软件开发的全过程i7 l 。 但如何恰当地将这种可视化图形建模技术用于解决嵌入式系统开发所面临的问 题，如何研制和开发支持u m l 的建模方法及支持环境，仍是该领域的热点问题。 目前，在使用u m l 对嵌入式系统进行设计建模方面，国内外都进行了一些研 究。在嵌入式系统建模方面所做的研究，国外已经有一些使用u m l 进行嵌入式 系统开发的成功的例子。曾经有一个有关i d e s a ( i n t e g r a t e dd e s i g no fd i s t r i b u t e e m b e d d e ds y s t e mi ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n ) 工业自动化控制中分布式嵌入式系统的 集成设计) 的项目隅j ，该项目系统地介绍并成功地运用了u m l 模型和代码生成系 统去实践一个特定的嵌入式系统的发展。 近几年，国内也有不少企业在学习并尝试使用u m l 来设计嵌入式系统，但从 总体来看，这些企业对u m l 的使用还处于初级阶段，同时对u m l 的了解相对而 言还不够深入，跟西方发达国家相比存在一定的差距。 另外当前嵌入式系统设计的重点已经由板级系统设计转变为芯片级系统设 计。这样的芯片级嵌入式系统的设计会更多依赖于可重用设计方法和手段，其中 基于可编程器件的系统可重构技术和针对可测性算法的复用技术是系统级设计发 展的亮点。目前学术界和商业界都提出了很多可重构的硬件技术，大体上可以归 为3 种，即f p g a 、具有嵌入式可重构资源的i c 器件、面向s o c 的嵌入式可重构 核。其中a l t e r a 公司和x i l i n x 推出的基于f p g a 的可重构的硬件技术应用最为广 泛。基于f p g a 和i p 软核的嵌入式系统设计，使原来嵌入式系统设计只能停留在 板级设计阶段的状态发生了根本的改变。让研究单位能够将其所在领域的专用算 法迅速转化为m 核的形式，极大的有利于专用算法的推广应用和知识产权的保护。 使得基于f p g a 和i p 软核的嵌入式系统设计成为新发展起来的热门研究方向。 1 2 2 嵌入式系统设计方法研究的意义 计算机技术的发展已经进入了后p c 时代，以单片机、嵌入式微处理器、数字 信号微处理器为核心的嵌入式计算机系统，以其软硬件可剪裁、高度实时性、高 度的可靠性、功能专一、低功耗等诸多有点而得到极为广泛的应用。嵌入式系统 是针对特定目标的专用计算机系统，其硬件构成干差万别，软件系统是基于特定 的硬件平台编写的，这就使得嵌入式系统的开发变得非常困难。 目前嵌入式系统项目的成功率较低，或者开发过程中计划不合理，软硬件开 发之间衔接不好，导致开发周期很长。有的项目由于对开发过程中的关键问题困 难估计不足，缺少相应的技术准备，使得计划脱离实际，更为严重的是在现有的 技术条件下，某些方案根本行不通，浪费了人力，物力还要使得项目开发重头开 3 始，或者项目终止。这些问题的核心问题是缺乏行之有效的嵌入式系统设计方法。 嵌入式系统分析和设计方面的主要问题为：分析设计没有一个相对一致的标准； 分析设计方法不确定；从分析设计到制作和编程没有一个较为连贯的工程化 方法，使得产品形成的过程中，人为因素影响较大；分析设计成果的重用性较 差：以上方面的问题制约了嵌入式系统的发展，从事嵌入式系统应用开发的组织 和团体，大多采用小组或作坊式的开发模式，这使得开发较复杂或大型系统的工 作变得十分困难甚至无法进行，常因为系统需求的不断变化或小组成员的流动导 致项目失败。如何能够在预定的时间内，按质按量的完成嵌入式项目的开发，显 得非常重要，研究一套行之有效的嵌入式系统设计方法用来指导实际的嵌入式系 统设计开发将具有重要的理论和实践意义。 1 3 论文的主要内容及关键点 1 3 1 论文的主要内容 本文主要对嵌入式系统设计方法进行了研究，提出基于u m l 的嵌入式系统建 模方法和采用可重用设计方法的软硬件协同设计。并通过对嵌入式避障机器人系 统的设计实例具体说明了各种嵌入式系统设计方法的应用过程。 论文首先对u m l 理论进行了深入研究，分析了基于u m l 的建模的基本思想 及过程，指出了使用u m l 设计嵌入式系统的优势，并提出了基于u m l 的嵌入式 系统开发方法及支持环境，重点研究了如何使用u m l 对嵌入式系统进行描述与设 计。同时，还从u m l 建模过程的各个阶段出发，以文中所提出的开发方法为指导， 完成了嵌入式避障机器人系统的设计建模。 在嵌入式系统设计中采用了一种适合软硬件协同设计的新方法此方法基 于可重用设计方法学并对其进行了拓展，延伸出了基于可重构平台的系统级设计 方法和利用可测性算法的可重用设计方法。同时借助嵌入式避障机器人设计与实 现的实例阐述了这两种可重用设计方法对嵌入式系统设计的作用。并且通过对嵌 入式系统设计和开发的经历和经验的总结，详细论述了如何结合需求和不同嵌入 式平台特点，探讨合理的嵌入式系统应用方案。 此外，在实现的过程中根据设计需求中本机器人的特定应用环境对传统的人 工势场避障算法进行了改进，提出了一种改进的人工势场算法，并在实际应用中 取得了很好的效果。并且在机器人无线视频传输系统的开发中对基于网络自适应 技术的网络视频实时传输进行了研究并得出了一套比较有效的网络自适应调节方 法。降低了视频实时传输对网络的要求，提高了视频传输的实时性 4 1 3 2 论文的组织结构 第l 章绪论。主要介绍了目前嵌入式系统建模和系统设计方法方面的研究现 状和意义，并指出了本文的主要研究内容。 第2 章嵌入式系统设计方法研究。分别是基于u m l 的嵌入式系统建模方法和 基于可重用设计方法的软硬件协同系统设计方法。首先对嵌入式系统的概念及特 点做了简要介绍，紧接着分析嵌入式系统开发面临的问题和传统的嵌入式系统开 发方法所存在的缺点，指出了引入u m l 设计嵌入式系统的原因。在此基础上提出 了基于u m l 的嵌入式开发方法，之后介绍了基于可重用设计方法学的嵌入式系统 软硬件协同设计方法，其中首先对软硬件协同设计方法和可重用设计方法学进行 了概述，然后总结采用系统级设计流程与可重用设计方法结合的优势并提出了对 可重用设计方法的细化和拓展，延伸出了基于可重构平台的系统级设计和利用可 测性算法的可重用设计方法。阐述了这两种可重用设计方法对嵌入式系统设计的 作用。最后阐述了基于p 软核的s o p c 嵌入式系统的软硬件协同设计过程。 第3 章应用u m l 的嵌入式避障机器人系统建模设计。利用嵌入式避障机器人 系统设计作为实例，论证了在上一章中提出的基于u m l 的嵌入式系统设计建模方 法，并对建模过程中的每个步骤进行详细的论述以说明如何使用该过程来完成嵌 入式系统的设计。包括需求分析、建模、体系结构设计等。 第4 章可重用设计方法在嵌入式避障机器人系统设计中的应用。首先着眼于 系统设计方法，并通过对以往三代机器人系统设计的经历和经验的总结，详细论 述了如何结合需求和不同嵌入式平台特点，探讨合理的嵌入式机器人系统设计方 案。其后引出可重用设计方法在基于嵌入式软核处理器的避障机器人系统中的应 用。首先介绍了基于s o p c 可重构平台的机器人系统软硬件协同设计过程，重点 体现了可重构平台和可测性算法的可重用性在系统设计中的优势和对系统的优 化。最后详细介绍了硬件实现步骤和实现方法以及软件部分的具体设计与实现。 第5 章嵌入式避障机器人系统软件设计与实现。详细介绍了基于u m l 建模的 嵌入式避障机器人系统软件的设计与实现，首先根据需求对机器人的功能模块进 行了分解。接下来通过分析功能模块之间的联系并基于面向对象思想提出了机器 人系统软件的架构设计。在机器人系统软件实现的同时又介绍了设计和编写机器 人仿真环境软件的过程，其中重点论述了专门编写机器人仿真环境软件的目的的 作用。 第6 章算法设计一改进的人工势场路径规划方法研究。主要论述了在设计和 实现机器人避障系统的过程中根据本机器人的实际应用环境本文对传统人工势场 避障路径规划算法的改进。本章首先概述了移动机器人路径规划算法目前的研究 5 方向和几种比较热门的算法。之后介绍了人工势场算法的基本思想。而后针对本 机器人的实际应用环境提出了改进的人工势场算法，并在虚拟环境和实际环境中 对算法的改进进行了试验验证。 第7 章利用网络自适应技术的机器人无线视频传输系统实现。介绍了根据本 机器人系统的需求开发的无线视频传输系统的设计和实现过程。首先提出了机器 人无线视频传输系统的整体架构方案，之后简要介绍了目前实时视频传输领域的 发展方向和热门技术。而后探讨了基于自适应调节技术的网络视频传输系统的软 件框架设计，并重点介绍了本机器人系统中无线视频传输子系统所应用的自适应 调节算法及实现。最后在实际网络环境中对自适应系统的性能进行了测试。 第8 章全文的工作总结及展望。 1 4 论文的创新点和特色性工作 l ，通过研究现有的u m l 技术，结合嵌入式系统开发中所存在的问题，提出 了一种基于u m l 的嵌入式系统建模和设计方法。并通过嵌入式避障机器人的成功 设计证明了其有效性。 2 ，在嵌入式系统设计中应用了一种适合软硬件协同设计的新方法一可重用 设计方法，并对其进行了拓展，延伸出了基于可重构平台的系统级设计和利用可 测性算法的可重用设计方法。同时借助嵌入式避障机器人设计与实现的实例阐述 了这两种可重用设计方法对嵌入式系统设计的作用。并且通过对嵌入式系统设计 和开发的经历和经验的总结，详细论述了如何结合需求和不同嵌入式平台特点， 探讨合理的嵌入式系统应用方案。 3 ，在避障机器人实现的过程中根据设计需求中本机器人的特定应用环境对传 统的人工势场避障算法进行了改进，提出了一种改进的人工势场算法，并在实际 应用中取得了很好的效果。并且在机器人无线视频传输系统的开发中对基于网络 自适应技术的网络视频实时传输进行了研究并得出了一套比较有效的网络自适应 调节方法。降低了视频实时传输对网络的要求，提高了视频传输的实时性。 6 2 嵌入式系统设计方法研究 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统的诞生可以追溯到上个世纪7 0 年代，随着i n t d 公司推出第一款商 用的4 位微处理器芯片4 0 0 4 以来，嵌入式系统的概念就应运而生。它是相对于通 用计算机系统而言的。嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，很难给它下一个 准确的定义，目前被国内人士普遍认可的定义是1 9 i ：以应用为中心，以计算机技术 为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统。 可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的i m j 。嵌入式c p u 与通用c p u 最大的不 同就是嵌入式c p u 大多都工作在为特定的用户群所设计的系统中，通常具有低功 耗、体积小、集成度高等特点。它能够将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成 在芯片内部，从而有利于嵌入式系统的设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟 网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和其它各个行 业的具体应用相结合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的软硬件都必须高效设计，量体裁衣，去除冗余，力争在同样 的硅片面积上实现更高的性能。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具有自举开发能力。即使设计完成以后，用户也不能对 其中的程序功能进行修改，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。综合 起来讲，整个嵌入式系统在设计时要满足功能强大、可靠性高、成本低、体积小、 功耗低等要求。 7 2 1 2 嵌入式系统的特点 一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机 系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组 成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令， 执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机， 当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如s o n y 智能机器狗，上面集 成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各 种状态信息i l l i 。 嵌入式系统与通用计算机系统相比有四个明显的特征： ( 1 ) 专用性：指嵌入式系统主要用于特定设备来完成特定的任务。 ( 2 ) 可封装性：指嵌入式系统隐藏于目标系统内部而不被操作者察觉。 ( 3 ) 实时性：指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短 时间内对事件或用户的干预做出响应。 ( 4 ) 可靠性：指嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制， 因此一旦工作就要求它可靠运行。 2 1 3 嵌入式系统开发面临的问题 嵌入式系统的设计是一个软硬件协同设计的过程，它需要不同技术背景的人 共同开发，因此就带来了一个问题，即如何使这些具有不同技术背景和专长的人 联合开发，协同设计。综合起来，传统的嵌入式系统分析与设计方法存在的主要 问题为： ( 1 ) 分析与设计方法不一致，开发过程没有一个确定的统一的标准； ( 2 ) 从分析、设计到制作和编程没有一个始终一贯的工程化方法，使得产品形 成的每一个过程人为因素影响十分严重； ( 3 ) 分析设计的结果往往不能在开发类似项目或产品时可重用。 以上几个方面的问题成为多年来制约嵌入式系统发展的主要瓶颈，使得大部 分从事嵌入式软件开发的组织和团体，基本上是采用小组甚至是作坊式的运作模 式1 1 2 i 。这使得开发较复杂或大型系统的工作变得十分困难甚至无法进行，或因为 系统需求的不断变化或小组成员的流动导致项目失败。 2 2 基于u m l 的嵌入式系统建模与设计方法 2 2 1 u m l 概述 1 ) i 舢的简介 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) 是一个通用的可视化建 模语言，用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统的文档1 1 3 i 。u m l 不是一门程序设计语言，但可以使用代码生成器工具将u m l 模型转换为多种程序 设计语言代码，或使用反向生成工具将程序源代码转换为u m l 。 u m l 是由世界著名的面向对象技术专家g r a d yb o o c h 、j i mr u m b a r g h 及i v a r j a c o b s o n 发起，在b o o c h 方法和o o s e 方法的基础上，集众家之长完成的1 1 4 i 。其 目的是达到以下目标： 运用面向对象概念来构造系统模型( 不仅是针对软件) 建立起从概念模型直至可执行体之间明显的对应关系。 着眼于那些有重要影响的问题。 创建一种对机器与人都适用的建模语言。 1 9 9 5 年1 0 月发布了u m 0 8 版。但u m 并不像想象中的那样成功，因为在这 个过程中，他们发现创造一种“统一方法 的难度太大，于是努力的方向缩为建 立一种统一建模语言u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 。19 9 6 年6 月发布了u m l o 9 版。 后来，有许多知名公司如d e c 、h p 、i b m 、m i c r o s o f t 、t i 等加入了u m l 的开发 工作。这时u m l 己经获得了工业界和科技界的广泛支持。u m l 一版也于1 9 9 7 年 一月1 4 日被o m g ( o b j e e tm a n a g e m e n tg r o u p ) 批准作为标准。 之后，对u m l 的改进工作由o m g 的修订专业组织r t f ( r e v i s i o nt a s kf o r c e ) 接管，并产生了u m l l 2 、1 3 和1 4 版本，其中u m l l 3 是较为重要的修订版。 2 0 0 3 年6 月，o m g 一致通过了u m l 2 0 规范，从而使u m l 标准得到了进一步的 发展和完善。 2 ) u m l 的主要特点 标准建模语言u m l 的主要特点可以归结为三点1 1 5 i ： ( 1 ) u m l 统一了b o o c h 、o m t 和o o s e 等方法中的基本概念，事实上，u m l 已经成为了面向对象建模语言的标准。 ( 2 ) u m l 还吸取了面向对象技术领域中其他流派的长处，其中也包括非面向对 象方法的影响。u m l 符号表示考虑了各种方法的图形表示，删掉了大量易引起混 乱的、多余的和极少使用的符号，也添加了一些新符号。因此，在u m l 中汇入了 面向对象领域中很多人的思想。这些思想并不是u m l 的开发者们发明的，而是开 发者们依据最优秀的面向对象方法和丰富的计算机科学实践经验综合提炼而成 的。 9 ( 3 ) u m l 在演变过程中还提出了一些新的概念。在u m l 标准中新加了类别 模板、职责、扩展机制、线程、过程、分布式、并发、模式、协作、活动图等新 概念，并清晰地区分类型、类和实例、细化、接口和组件等概念。因此可以认为， 哪l 是一种先进实用的标准建模语言，但其中某些概念尚待实践来验证，u m l 也 必然存在一个完善的过程。 3 ) 采用u m l 设计嵌入式系统的优势 嵌入式系统开发过程中产生2 1 3 中所述的问题，主要原因是没有一个对嵌入 式系统需求、分析、设计、制作、测试和维护过程的结构特征和行为特征统一的 工程化描述方法，不同阶段的工作人员按照各自的方法进行开发，以至于分析、 设计与实现等过程严重脱节。u m l 在嵌入式开发中的研究与应用统一建模语言 u m l 提供了可视化工具，使得开发人员对系统的分析建立在对真实世界抽象思维 的基础上，能够在某种程度上解决上述嵌入式开发中所存在的难题。为此，在本文 中我们将u m l 引入了嵌入式系统的软硬件协同设计过程，提出了基于u m l 的嵌 入式系统开发方法。将u m l 引入嵌入式的开发过程的主要原因及优势如下： ( 1 ) 随着嵌入式系统的日趋复杂化，较多的系统都需要由一个团队共同完成， 因此，团队成员之间的相互合作，软硬件之间的协同开发，乃至开发人员和客户 之间的交流都需要有一个统一的标准作为基础，u m l 正是这样一种标准的系统建 模语言。它采用一种简单而直观的图形化方式描述系统开发中的各个细节，统一 的符号模型为开发人员提供了统一的开发标准，不同技术背景的设计师只要懂得 简单的u m l 符号就可以轻而易举地与对方交流，共同设计，这就解决了文中3 2 所述问题中的前两个方面。目前，u m l 已经成为一个得到包括i b m 、i n t e l 、 m i c r o s o i l 、s u n 等众多知名大公司在内的广泛接受的标准，被o m g 组织强烈推荐 为面向对象的产品研发过程中标准的建模语言。 ( 2 ) u m l 是面向对象的图形化的建模语言，可视化描述比较直观，“用例等 概念给系统的需求分析带来了便利。同时，它可以详细地描述系统的内容和工作 方法，先进行系统建模再编写代码，在开始阶段就保证了系统结构的合理性。并 且为系统建立了可视化的组织结构和行为结构，实现了用户需求的可视化表示， 缩短了系统的开发周期，尤其是很好地适应了嵌入式系统开发中用户需求的复杂 性和多变性。 ( 3 ) u m l 模型系统包含了许多不同的框图，便于开发人员从不同的角度了解整 个系统。其中的对象约束语言利用文字标记可以清晰准确地描述u m l 基于图例所 无法说明的状态属性，这有利于对大型的复杂的嵌入式系统的准确了解。 ( 4 ) u m l 并不是一种单一的语言，它是一些符号、语法、语义的集合，它允许 针对特定的应用程序而生成语言体系。换句话说u m l 是一种元语言，它支持能够 l o 建模和合成的状态机语义；支持基于对象的体系结构的重组和优化。其中的合作 图、顺序图、活动图等概念给实时嵌入式系统的设计带来了便利 ( 5 ) 在嵌入式系统的开发中，使用模型能够捕获设计过程中应用程序的服务质 量需求、资源集合，例如不同的抽象水平层次的相互关系等等，尤其是资源的规 划调度和使用，这对于性能要求较高的嵌入式设计来讲是十分重要的。 ( 6 ) u m l 可以用统一的形式表现软件和硬件，支持循环迭代并可多次修改软硬 件方案直到满足要求，因此可以很好地支持大型的复杂的嵌入式开发中的迭代增 量思想，并可实现嵌入式系统的软硬件协同设计。 ( 7 ) 有利于项目的回溯与测试。在系统开发过程中所有的分析与设计模型都被 保存下来，以便在相似系统中重用或供下次开发使用。这一特点解决了上述2 1 。 3 节中所提出的第三个方面的问题。 总之，使用u m l 对嵌入式系统建模，不仅可以使系统分析设计实现标准化， 而且完全可以实现系统分析、设计和制作、测试分别由不同的项目成员在统一、 一贯的方式下完成。基于u m l 的嵌入式建模方法在某种程度上解决了嵌入式开发 中所存在的问题，提高了系统开发效率，降低了系统开发成本。 2 2 2 基于u m l 的嵌入式系统设计开发方法 嵌入式系统典型的设计开发方式是“宿主机目标机 方式：首先利用宿主机 上丰富的资源和良好的开发环境开发和调试目标机上的软件，然后通过串行口或 网络将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并用交叉调试器在监控 程序或操作系统的支持下进行实时分析和调试，最后目标机在特定的环境下运行。 在对嵌入式系统进行开发时，无论采用传统的那种顺序的开发方法，还是采用文 中所提出的迭代增量式的柔性开发方法，其整个开发方式都是上述“宿主机目标 机 方式，只是系统开发时所采用的指导过程不同。 1 ) 传统的静态的设计开发方法 传统的嵌入式系统的设计开发方法，必须经过分析、设计、编码、测试四个 阶段。分析过程定义了要解决的问题，设计过程定义了问题的解决方法，编码是 对设计部分的具体实现，测试过程可以验证系统是否满足需求，实现是否满足设 计。图2 1 给出了传统的嵌入式系统开发的一般过程。 翻嘲嘲豳 j i 商鸶鸶蓄蓄i 釜商羞萄i i 蓄i 矿 = 匮曩 田2 , 1 传统的嵌入式系统设计开发翻莹 总的来看，这种传统的嵌入式开发方式最大的特点是以源程序的开发和测试 为核心的。但是由于嵌入式产品的更新换代较快，因此就要求研发周期尽可能的 短，同时在开发过程中能动态地调整需求。而在传统的这种静态的开发过程中， 一般来讲需求工程师只负责系统分析，硬件工作人员负责硬件电路的部署与实现， 而程序员则负责软件代码的编写各阶段开发人员之日j 几乎没有交流和统一的丌 发标准，因此很容易造成系统需求分析和设计与具体的实现之丑j 的脱节。 另外，这种开发方法对系统的需求和设计的验证是在开发过程的最后阶段进 行的，这种系统完全实现后的