（计算机应用技术专业论文）面向领域的仿真测试平台研究与实现.pdf

l j 朝丁鼗天学赣l 学鲢凳建 臻委 摘要 俦嶷溅试平台跫支持嵌入式系统，l ：发酸一耱煮效互其，能够实现产熬兹软 硬件并行7 笈、秘嗣验证，达到臻抉产品一市时闽、降低嚣蓑戏率，减少， 笈 风险等嗣的。 本文选题来源于8 6 3 课蹶“面向区域的嵌入式软件投术环境研究”。论文 的二t 要秘的是结合计算机控制领域中嵌入式系统设计j 1 ：发的调n 试灞求，采用 嫒 牛程潮路熬镑囊接拳来仿粪被控薅象饕l 系绞外溺坯壤，为嵌入式系统魏没诗 嚣襞鬟袋傍冀溅试擎套。 本变通过对讦算枫控制繇统进行深入的错究和分析，以工妲控制计算机为 核心构建了仿真测试平台的碗件系统：采用面向对琢技术设计了具村可定制性 和高度”放性特点的层次斌的软件体系结构。并运用了数捌可视、多线程、数 据采集釉数捃瘁等关键按零避铃较传系统懿开发。 论变磷究竣寨罄程饕憋恕予藐器懿孛餐戴了骏涎窝疲矮，莠取褥了炎磐馥 痰用效聚，翼寄辍冀广泛豹激箱价毽翻摊广价值。 关键谴t 传真测试平台嵌入式系统嫒件鬟统较链：系统蕊渤对豢披术 m a s t e ro fs 【1 i l ，n c er ii l i s i s n w pa n s r r a c i a b s t r a c t t h es i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r m ( s t p ) i sa ne f f e c t i v es u p p o r t i n gt o o lf o rt h ed e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s w i t ht h eh e l po fs t p , p a r a l l e ld e v e l o p m e n t a n dc o v e r i f i c a t i o nc a nb er e a l i z e d ，w h i c hh e l p st oa c h i e v et h eg o a lo fs p e e du p m a r k e t i n gt i m eo f t h ep r o d u c t sa n dc u t t i n gs y s t e mc o s ta n dr e d u c er i s k s t h ed i s s e r t a t i o nd e r i v e sf r o mt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m “t h er e s e a r c ho ft e c h n i c a l e n v i r o n m e n tf o rr e g i o n a le m b e d d e ds o f t w a r e ”t om e e tt h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n g r e q u i r e m e n to fd e v e l o p i n ge m b e d d e ds y s t e m si nc o m p u t e r - c o n t r o l l e df i e l d s ，t h i s p a p e rm a i n l yw o r k so nd e v e l o p i n gas t pb yu s i n gh a r d w a r e - i n - t h e l o o pt e c h n o l o g y t os i m u l a t ec o n t r o l l e dp l a n ta n de n v i r o n m e n t a f t e rt h ei n t e n s i v es t u d ya n da n a l y s i so fc o m p u t e r c o n t r o l l e ds y s t e m ，t h i sp a p e r a s s e m b l e st h eh a r d w a r es y s t e mc e n t e r i n go ni n d u s t r i a lc o m p e e rf o rs t p , a n dd e s i g n s t h eh i e r a r c h i c a ls o f t w a r ea r c h i t e c t u r ew h i c hi s h i g ho p e na n dc u s t o m i z a b l eu s i n g o b j e c t o r i e m e dt e c h n o l o g y ，a n dt h e nd e v e l o p st h es o f t w a r es y s t e mb yu s i n gk e y t e c h n o l o g i e si n c l u d i n gd a t av i s u a l i z a t i o n ，m u l t i t h r e a d i n g d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a b a s e e t c t h er e s e a r c ho ft h e p a p e r h a s a l r e a d y b e e nv e r i f i e da n du s e d i n e l e c t r o p a t t e r n s e w i n g m a c h i n e i to b t a i n sa g o o da p p l i c a t i o nr e s u l t ，m a k e s a c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o nv a l u ea n dg e n e r a l i z i n gv a l u e k e yw o r d ：s i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，h a r d w a r es y s t e m ，s o f t w a r e s y s t e m ，o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y 1 1 两北丁业大学硕士学位论文 第一馥结i 仑 1 课题背景及意义 第一耄绪论 程计算筑控蠢羲城串设备豹毒l 造在我蓍虽然上蔑摸稳餐给予价毯链静末端。 计算机控制设备升级换代快。竞争激烈，掌握缩短产晶开发周期、降低成本和提 离震蘩懿核心技术薨形成自主妇识产粳熬平鸯产鑫莛取褥竞争驻秘熟关键。敬智 能化电子缝制设备为戡型代表的计算机控制设备，其灵魂就是嵌入在其中的计算 羲系绫嵌入式系统。宅其蠢嵌入筑系统豹菠蠢特赢：藏力强大、瘦矮多榉、 资源有限、功能专用、成本敏感、更新迅速等。 嵌入式系统懿臻剃峦手瑗捧徐辏豹大稷发骜低搭涟羞袋入式软转复杂鬟菠 的不断提高。嵌入式软件的成本就成为制约产品价格的决定性因素，如何提高嵌 入式系统弱开发效率舞提亵焱入式敬箨魏霹爨装裁成兔一令焱嵌入筑系统静设 计开发过程中非常重要的问题。导致软件可能发生错误的情况一般是由于软件结 擒设诗存在缺陷、错诶，或软传秀发豢在秀发过程中忽援了一些籍殊壤援、较辞 冗余不充分或者由于疏忽导致语法不严谨造成的。这样的软件在正常的条件下， 一般郝1 霹默委零运行，然嚣一照处于浆秘特殊壤援下，魏奏可髓弓l 发软搏魏暴露 行为。为此，仿真技术逐渐成为嵌入式产品研制与试验中的先导技术、检验技术 葶珏分亳唾技术。实际上大多数嵌入式系绕都是笺杂的系统，为了测试其嵌入式系统 的多种功能，就要在一个受控的环境中，向系统输入各种模式情况下所要求的各 秘激融信号，并臻定系绞对激髓信号的响应。然两由予受到实际试验条传的限制， 反复测试是穰难实现的，而仿粪实验可以比较方便的获取大量的统计数据。同时。 大型系统或项目的研制所需投资巨大、风险离，丽仿真技术的应用可以有效的解 决这些问题，可以节约大量的人力、财力和锄力，缩短了研制周期，撼高了研制 效费比。因此，厩向计算机控制擐域中嵌入式系统设计歼发仿冀测试平台的研制， 对计算机控制设备制造产业的发展起着至关黧要的作用。 本论文选题来源予国家8 6 3 课题“面向区域的嵌入式软件技术环域研究”。 论文的主要弱的是结合计算机控箭领域中嵌入式系统设计开发的调n 试需求， 采用硬件在回路的仿真技术来仿真被控对象和系统外瞩环境，为嵌入式系统的设 计开发提供仿真测试平台。从雨实现产品的软硬件并行开发、协葡验证，达到加 快产品上市时间、降低开发成本，减少开发风险等目的。通过提升嵌入式系统自 主开发能力，来更婷的适应市场的需簧，完成传统杼鼗的技术改造，缩短其开发 周期，建立对市场快逮的反应机制。这对推进企业技术进步，提高企业经济效菔 两北工业大学颤叶：擘位论文第一章绪论 和市场竞争力疑有重大的意义。 1 2 论文的主要工作 本论文主爱王终魏下： 1 透过瓣嵌入式系统产菇豹设计方法进行研究鞠分耩，阐述了德襄溅试平 台在设计开发过程中所起到的熏蘩作用；对系统仿真概念、方法及仿真的工作流 程进行研究。 2 通过对计算机控制系统j 拄行深入的研究和分析，设计面向计算机控制领 域嵌入式系统瓣仿真测试硬件系统，为褒a 式系统豹臻嶷测试提供了硬 孛支持。 1 采霜露囱黠象技拳设诗屡次霞钵系结稳懿欲移系统，该系统其蠢霹定稍 性和高度开放性的特点；确定各功能层次的组织及管溅，并进行系统的类设计。 4 采用彩线程、数据采集和数据库等技术，实现系统调度、系统输入t 输出 信号处理以及系统数据存储和管联簿功能，采用数据可视技术进行数据解释类库 中的类设计。 1 3 论文的组织 论文在结构上共分为7 章： 第一章概述藏向领域的仿真测试平台研制的重要纛义，说明课题的来源以及 论文豹主簧臻炎囊容。 第二章磷究分析了仿真溅试平螽在嵌入式系统产懿的设诗开发过程巾繇起 的重要作用，并介绍了系统仿真技术及其基本工作流稷。 第三章主舞是仿真测试平台硬件系统的设计与实现。 第四章主鼷是仿真测试平台软件系统的设计。 第五章童装对较传系统秀发建疆中瑟弱瓣多线程、数据采集、数据瘁叛及数 摇可褫等关键授零进行了深入麓磷究和分辑。 第六章介缁了仿真测试的功能实现，并结合智能电子花样机嵌入式系统的仿 真测试实例给出了具体的应用。 第七章对论文的主要工作及应用成果进行总结。 西北t 业大学顾十学位论文第二章嵌入武系统哼系统仿真测试 第二章嵌入式系统设计与仿真测试 2 1 嵌入式系统 在当今这个世界上，在全球巨大的计算机应用市场中，嵌入式应用已经占有 了相当大的份额。嵌入式系统的应用开发已经成为了计算机工业最热门的领域之 一，嵌入式系统渗透到信息家电、计算机控制、通信与电子设备、人工智能设备 等诸多领域。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) f l 】实际上是嵌入式计算机系统( e m b e d d e d c o m p u t e r s y s t e m ) 的简称，它是结合微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 或微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 的系统电路及其专用的软件，来达到系统运行的效率与成本的 最优化。这种计算机( 或处理器) 是作为某个专用系统中的一个部件，它是整个 系统的核心，而系统中的其它部件则是其外部设备。只不过这些外部设备不同于 常规的计算机外部设备，而所嵌入的计算机的作用和目的又只限于对这些外部设 备的控制和管理。因此，常规的计算机系统是面向计算( 包括数值和非数值) 和 处理的，而嵌入式计算机则一般是面向控制的。 嵌入式系统同通用计算机系统相比具有以下特科2 】【3 l ： 1 嵌入对象的广泛性 由于科学技术的飞速发展，特别是微电子技术的令人惊异的变化，目前，几 乎一切系统或设备都可以采用嵌入式计算技术来完成过去很多想做的，而又无法 实现的工作。现在从日常生活中使用的洗衣机，要实现全套洗衣流程的自动控制 操作，到提高生产能力的工业的自动化控制，无一能离开嵌入式系统。 2 嵌入形式的多样性 嵌入式技术得到广泛应用，但各种系统或设备对嵌入式计算机的性能、功能、 规模要求是绝对不同的。这种差异势必造成嵌入式系统有其相应的多样形式。从 目前看，在日常生活设备中有大量的单片形式的嵌入式系统，在工业中和军事系 统设备中、有无数的单板嵌入形式和整机形式的嵌入式系统。在大型系统中，甚 至还有以计算机系统形式的嵌入式系统。 3 嵌入作用关键性 当前，计算机被人们美誉为“电脑”，可见计算机能力和作用的重要性。尽 管嵌入式系统是从应用配套而逐步进入系统和设备的，但一旦进入后，它就在新 系统或新设备承担许多自动控制的处理任务。因此新系统或者设备对其依赖性越 来越大，已经不再是可有可无的部分，而成为关键部分。 西北下业大学坝j 二学位论文第二章嵌入式系统与系统仿髓测试 4 ，嵌入功能的专一性 出于嵌入式系绞嚣完成的任务和蔼达到的性能攒标十分明确，功能强标也十 分清楚，因此，常常无需兼顾其它功能，对于多余的功能和过高的技术指标蹩毫 无意义的，寿时甚至是有害的，所以说嵌入式系统麴功能愚十分专的。 5 嵌入接口的多样往 尽管每种嵌入式系统i o 接口的性质、规格和数量都是豳定的，但由于成用 中涉及到各行各业，所以要处理的接收信弩和要发出的控带信号种炎非常繁多， 例如：驱动电机、马达、发幼机运动的信号、指导飞行器的陀螺信号，串行嗣通 信信号等。在这些信号中，包括有；数字信号、模拟信号、离电逶铰电流信号、 低电压l d , 电流信号、连续式信号、间断式和突发性信号，凡此神种，要求嵌入 式系统设霄多种类甏接日，窀们决嚣如通用计算梳稍定盼育黻凡个瓣范所能全部 包含的，也决非单靠嵌入式计算机厂商所能全部解决的。 6 嵌入往髓的实对健 嵌入式系统在接收到规定信号厢，必须在有限的时间内完成确定的工作任 务，这是区潮于英宅计算梳静一个十分重要的特点，也是嵌入式系统设计新必须 考虑的主要问题，它不但涉及硬件体系结构、包括c p u 速度、内存访问速度、 慧线速度及中断税翻等磋稃闯题，逐涉及软件静串断管理鞍任务谲凌策珞，氆括 调度算法、调度频率和调度时机等。 7 嵌入结梅舔愆搂 通用计算机是以计算机为核心，按计算机本身的需求而设计其结构，而嵌入 式系统是戳被嵌入熬系统戢设备为狻心，较系统或设备夔终桊条箨露设诗冀结捣 的。不与系统或设锝相甄配的嵌入式系统燕没有出路的，要求其体积、重量，还 包撬允诲豹功耗等毅素餐会密主系统豹要求。 8 嵌入操作的可靠性 嵌入式系绞是被稳藏在系统或设冬孛静，苓少系统或设餐莠l 户缀滩壹接与嵌 入式计算机接触，裔的甚至在工作时，人根本无法群进行控制，如：宇航上嵌入 式计葵，一显发射、裁完全独立于人豹控制之孛。嚣魏，嵌入式系统靠缝楚一 个蘸要因素。 9 。嵌入环境载象性 嵌入式系统必须问设备的使用环境保持致，嵌入到日常生活中的系统或设 冬，大多不必进行环境适应悭加固撼藏。如聚使用搬固豹嵌入式圣 纂援、麦子成 本的提高，体积的增大，它必定是没有生命力的。殷之，嵌入到恶嬲环境中的工 业和军事方箍的系统或设备，那就必须进行针对性的台适级剜的环境适应性魍塑 措施。否刚，它在某些环境条件下不能工作或不能稳定工作，最后也必会被系统 嚣兹工韭天学桉l j 学往蹙文 第二章鼗 式鬟绫晦系统仿囊溅试 否定。 1 0 嵌入产品开发周期短、生命周期长、更新换代快 因为嵌入式系统往往和舆体应用有机地结合襁一起，它的升级换代也是和具 体产菇瓣步避嚣，因毙嵌入式系统产品一量进入枣场，裁其鸯较长豹釜愈周期。 2 2 嵌入式系统产品设计 产晶设计的目的是为了设计出能够满足某种威用需求，并具有市场竞争力的 产品。麓壤王、韭生产豹社会亿稠现代凭发展邀稳，产品设计也e 珏令人据为转先一 秘器体狯俸豹系绞学灸，势农各个专盈矮域孛澎簸了稷对霆定豹设计方法。 由软件、硬件和机械部分构成的嵌入式系统产晶，在传统的设计方法中，典 型的设计过程是从可行性分析开始，逐步进行由需求分析、总体设计、详细设计 实现、煞成测试各个阶段性变换，直至通过确认测试并得到用户可使用的产品为 止，如图2 1 所示。在整个设计过程中，上一设计阶段产生鲍结果怒下一设计除 毅戆输入，耦邻嚣令莰诤除毅菇有因莱关系，蘩密稳联。受了防霆一个狯段菸设 计错误蔓延到后续的各个阶段，每一阶段的设计强务完成后，都必须对其阶段性 产品进行验证、评审，认定威确后再转入下一设计阶段。如果发现错误，则应该 返回到前丽的有关设计阶段修正错误，并从发生锚误的设计阶段开始逐个设计阶 段地重薪遴行设计、评审王 乍，直至i 通过最终静确认测试为止。 图2 - l 产品的设计过程 上述设诗方法采焉静楚巍颈国下懿设计憨想。在设计孛，邋过把一个复杂款 设计翘鬏逐步分鳃为若予个子闻蘧，分露港之，w 虢把淘题静蕊摸撩镪在较枣的 范围内。同时，在设计中采用模块化的思想，馒得各设计模块相对独立，降低了 设计和实现的难度。在测试中，则是一个自底向上的过程，首先从低腰次的模块 开始，确认低层次模块正确之后，再测试若干个低层次模块构成的系统的正确性 ( 集成测试) ，直至构成整个产瑟。这样，也魄较蜜爨定位帮解决设计中的问题， 西北工业大学硕f ：学位论文 第二章| 欹入式系统与系统仿真测试 但是，在实际应用中发现，上述设计方法存在着严重的缺陷。主要体现在以下几 个方面： 1 设计过程要求以精确的需求分析为基础。 然而对于一个复杂的创新设计来说，这往往是难以做到的。其原因在于： ( 1 )随着嵌入式系统的功能日趋复杂，并且产品涉及软件、硬件和机械 等多个设计领域，并不断向高速度、小型化方向发展。所以，在系统设计的初期， 设计者对问题的理解很难做到准确和全面。 ( 2 )在创新设计中面临很多未知的问题和不确定的因素，随着设计过程 深入，设计者对问题的认识会逐渐准确和全面，并不断修正早期设计决策的偏差。 随着产品复杂度的增大和创新性的增强，创新设计中的渐进性和不确定性随之增 加。 2 高层设计决策和实现相分离，对其正确性的确认太晚。 如图2 - 2 所示，即详细设计的正确性通过单元测试来验证，总体设计的正确 性通过集成测试来验证，依此类推。可以看出在整个设计过程中越处于上游的设 计活动，其正确性得到确认的时间越晚。上游设计是下游设计的基础和依据，但 是上游设计的正确性却一直要等到下游设计完成之后才能得到确认，这样就无法 保证下游的设计工作有一个正确的前提。 可行性分析一使用运行 需求分析一+ 确认测试 总体设计一一集成测试 详细设计- 卜单元测试 单元实现与调试 图2 - 2 设计与测试的对应关系 3 不便于用户参与设计决策。 产品开发的最终目的是提供给用户使用，用户参与设计过程对提高产品的市 场竞争力很有好处。但是，传统的设计方法中，用户在与设计人员共同完成需求 分析之后就被排除在产品开发决策过程之外，直到设计过程完成，生产出样品以 后，用户才能参与对产品设计决策的评价。这时，如果用户发现设计者对其意图 的理解上有偏差，则会对整个设计项目带来很大的损失，甚至不得不另起炉灶。 4 严格的设计阶段划分，妨碍了设计活动的并行。 在传统的设计方法中，设计阶段之间有着严格地先后和因果关系，在嵌入式 蕊蘸王韭大警蝼 学蕴论文 蘩一章鞋灭式系缓每畚统蒋羹测试 系统产品的设计中，软件的调试需要硬件平台的支持，但是必须经过漫长的开发 过程才鼹铸可运行的硬件原测，才能进行软硬件集成调试，从而使得软件调试和 硬件开发只能串行进行。 缘上蹶述，婕绞设诗方滚黪设诗缺陷导致设计遘程容荔产生大戆及复，著置 备设计溺动之闻难班并雩亍。觚蕊使得整个设计周期控长，影响产晶豹上市时间， 并导致人力物力投入的增加。 传统的开发过程由于具有上述缺点，已不能满足市场的要求。对于进行控制 算法研究的人而言，最头疼的葵过于没有一个方便而又快捷的途径，可以将他们 嗣控糕系统设计软黉嚣：发豹羧剩雾法在一令实瓣豹硬终孚台上实蠛，菝僵残察与 实际懿控制对象程连时，控矧算法盼洼憨。魏果羧翻算法不理想，辫霾能够缀侠 地进行殿复设计，反复试验岚到找到理想的控制方案。对一些大型的科研应用项 目，如果宪全遵循过去的开发过程，由于开发越糨中存在着需求的擞敬，软件代 码甚至代码运行硬件环境的不可靠性，最终导致项目周期长、费用离，缺乏必要 的可靠镶，甚至还可能导致壤霹蚨失黢告终。 慧戆来说，掰覆疆戆笼# 是两耱瘟震溺戆：一是在并发豹褪麓除段，魏簿对 整个控制系统进行多次的试骏来验证控制系统软、硬件方案的可行性。第二个问 题就是融设计完的控制器投入生产后，在投放市场前必须对其进行详细的测试。 如果按传统的方法，用真实的对象或环境进行测试，这样无论是人员、设备还是 资金都瓣要较大的投入，露慧周翘长，不能送行极限条锌下的测试，试验驰可重 复毪麓，掰撂溺试结采露谗慕瞧及霉努撰整聱较麓。餐寞测试平套为瓣决这些霾 题提供了有效的途径。它能够在一个受控环境巾，向被测系统输入备种模式情况 下所要求的各种激励信号来确定系统对激励信母的响应，并通过仿舆技术来仿真 被测系统的被控对象和外围环境。从而完成对嵌入式系统的仿真测试。 2 。3 系统仿真 本项目的研发是建立猩先进的仿真技术和软件工程的基础之上的，因此，有 必要对现代仿真技术进行简骤地介绍和分析。 1 系统仿真的定义 系绞镑真是建立在控铡瑷论、撩经理论、慧惑处瑾技寒嚣谤葵羧零等瑾沦基 础之上的， 三 计算机和其它专用物理效应设餐为工具，利用系统模黧对真实或假 想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进 行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和 试验性的学科f 4 】。 简单浓说，仿真( s i m u l a t i o n ) 是建立相成物理系统的数学模溅在计算机上 鳃算懿遮程。它戆三瑗基零鼷素是：系统、援蘩秘诗算枫。联系三矮簧囊翦三瑷 两北工业大学硕十学位论立 第二章 嵌入式系统与系统仿真测试 基本活动是：系统建模、仿真建模和仿真试验。如2 3 图所示 图2 3 仿真三要素和三项基本活动关系图 数学模型是仿真的基础，只有建立正确的数学模型和数据，才能得到正确的 仿真结果，仿真才有意义和价值。一个仿真模型要在计算机上顺利的运行，需要 有仿真算法作为支撑。 从广义上讲，仿真算法是指进行仿真过程中为了建立仿真模型、进行仿真试 验以及试验结果分析所需要的一切算法。所以说，仿真算法是仿真模型的有机组 成部分，在仿真模型中起核心和关键作用。 2 系统仿真的分类 按照参与仿真的模型的种类的不同，可以将系统仿真分为物理仿真、数字仿 真及物理一数学仿真。 物理仿真：又称物理效应仿真，是指按照实际系统的物理性质构造系统的物 理模型，并在物理模型上进行实验研究。物理仿真直观、形象、逼真度商，但不 如数学仿真方便；尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理 模型也需要花费较大的投资，且周期也较长，此外在物理模型上作试验不易修改 系统的结构和参数。 数学仿真：是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模 型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软 件硬件环境，动画与图形显示、输入输出等设备组成。数学仿真在系统分析与 设计阶段是是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性和合理性。数学仿 真具有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点。 物理一数学仿真：又称为半实物仿真，准确称谓是硬件( 实物) 在回路中的 仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型； 另一部分咀实物( 或物理模型) 方式引入仿真回路。我们所研制的仿真测试系统 就属于这一类。利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些事物乃至整个系统 的性能指标及可靠性，准确调整系统参数和控制规律。在航空航天、武器系统、 计算机控制等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段。 3 现代仿真的基本框架 现代仿真技术的发展使仿真技术扩展到系统建模、仿真建模和仿真试验等三 西靶王照天学颈圭学程凳空第一二章嵌入式拳绞系统傍真弱试 项活动中，使传统意义上的仿真概念产生了变革。例如，在应用仿真技术确定实 际的模型方面，提出了面向对象的建模方面，在炎库的基础上实现模型拼合与重 用；在仿真建模方面，采用模型与试验相分离的技术，即模型的数搬驱动；在仿 卖试验方露，将试验挺絮与镑囊运行控裁区分瑟寒，一个试验框袈突义一缝试验 条 孛，姆输出函数定义与傍囊模型分离开来等，予是，o r e n 援潞了蕊代仿真的 基本概念框架：“建模一试骏一分析”。 仿舆的这一基本概念框架总结了仿真研究豹三个基本要素：( 1 ) 对仿真问题 的描述；( 2 ) 行为产生器；( 3 ) 模型行为的处壤。图2 - 4 表示了以上三个要素的 吴体凑黎及鞠互关系。 挠真羯嚣的描述 特定的模型； 试验： 参数横型 燮黢框架 参数值 仿真遮杼控制 毒 l学螽产摩 l 毒 模型行为及其处蠛 模型行为( 仿真数据) l轨_ j 盔产毕li结桷杼为i 抒兔处理： 努霉 、显示 图2 4 仿真研究的熬本要素 ( t )对仿真问题的描述 镬舞一令菝奏闫题郝耄攘囊与试验嚣帮势绻威。经舞一令数学摸爱，不论采 用什么梯酌建模方法，又帮囱薅部分组成：一个参数模型及一组参数值。当给定 一个参数模型，同时又赋予宦具体的参数值后，就形成一个特定的模型。 试验也可以分为两部分：试验框架和仿真运行控制。一个试验樵架可以定义 为一组条件，在该条件下，系统可被观测或被进行试验。试验框架包撼五个模块： 褒浏交蘩、输入调度、秘戆纯浚定、终止蘩俘滋及资麓牧蹇程综会童芟竣。 滏实验框架痒中取瓣实验框檠； ( 2 ) 程模型参数库中生成掰的模型参数或取澎已有模型参数； ( 3 ) 形成模型框架对，它舰定了一次具体的仿真实验方案； ( 4 ) 通过实验运行系统，对被测系统进行次仿真测试实验，接收实时 的人工对测试脚本的干预，对产生的实验数据进行解释并形成解释后的数据： ( 5 ) 将实验摇关数据存入实验数据瘁孛，穗辩耱实验熬数攘痿爨实瓣韵 显示。 仿真测试系统进行一次仿真测试的主要数据流糕如图示。 图4 - 3 仿真测试的主要数据流 毒。2 。毒系统拳娄的设计 类作为一组性质相似对象的统一模板，其封装和继承特性为软件的麓用提供 了强力的支持，是构造应用程序的理想的可重用部件。 系统中礴百多个类，由于篇幅原因无法一一详述。因此通过描述模型参数 痒、仿真雾法类痒、实验援絮类黪这三令类痒豹设诗，来俸现在敦l 誊系统孛我翻 使羯西商对象技术逮行类设计鹃艨想。 1 模烈参数库 模型参数库由参数模型类和仿真模型类构成。 仿真测试软件中涉及到许多仿真对象，要以数学的藏仿真的方法来描述这些 西北t 业大学硕士学位论文 第叫章软件系统的设计 对象的特征及行为，需要用到大量的参数，这就是参数模型。参数模型主要包括 两部分：第一部分是对系统对象本身特性的描述；第二部分是仿真测试需要的一 些参数，如仿真设置参数、测试脚本参数等。 参数模型类的任务是提供一种对系统对象的特征参数进行输入、存取和修改 的方法，在w i n d o w s 环境下，实现这一任务的方式是提供一个实用的对话框。 v i s u a lc + + 作为一个强大的软件开发工具，其基本类库( m f c ) 提供了一个 完善的对话框类( c d i a l o g ) 。对话框类除了能够创建对话框外，还定义了许多管 理对话框的成员函数【2 2 1 。由于对话框类( c d i a l o g ) 已为实现用户对话框提供了 强大的支持，因此，各参数模型类均从c d i a l o g 继承而来。图4 - 4 给出了参数模 型的类结构。 图4 4 仿真参数模型类结构图 如图所示，所有参数类均从c d i a l o g 继承而来，共同描述了仿真测试系统的 参数配置模型。其中： c d i g e i ，m c r e a t e 为电子花样机上位机系统仿真测试记录标识类，用以配置创 建仿真记录的3 个参数：仿真记录名称、仿真记录描述创建时间。 c d i g e p m s e t c o m 为电子花样机上位机系统仿真测试串行口参数配置类，用以 配置串行口的6 个参数，包括串行口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、 硬件流控方式： c d l g e p m s c t p r o t o c o l 为电子花样机上位机系统仿真测试通讯协议参数配置 类，用以配置通信协议的3 个参数，包括十六进制的同步头、同步尾、校验方法； c d l g e p m s e t c o m m a n d 为电子花样机上位机系统仿真测试命令字参数配置 类，用以配置1 6 个十六进制的命令字参数，包括上位机命令帧1 1 个：回花样原 点、缝制、原点微调、自检、速度控制、暂停、绕线、停止绕线、询问断点、穿 西北工业大学顺士学位论文 第四章软件系统的设计 线、停止穿线：下位机应答帧5 个：正确、错误、断线、压布框未放下、气压不 足。 c d l g d i g i t l n p u t 为下位机系统数字输入信号参数配置类，用以配置8 个数字输 入信号参数，包括x 方向、y 方向、z 方向、剪线、扫线、穿线、压布框、回原 点。 c d l g d i g i t o u t p u t 为下位机系统数字输出信号参数配置类，用以配置5 个数字 输出信号参数，包括x 回原点、y 回原点、z 回原点、踩压脚板、断线。 c d l g a n l o g o u t p u t 为下位机系统模拟输出信号参数配置类，用以配置1 个模 拟输出信号参数，为气压值。 c d l g d i c o n f i g u e 为仿真测试系统自测系统数字输入信号参数配置类，用以配 置自测系统的每个数字输入信号对应的通道号； c d l g d o c o n f i g u e 为仿真测试系统自测系统数字输出信号参数配置类，用以配 置自测系统的每个数字输出信号对应的通道号； c d i g a i c o n f i g u e 为仿真测试系统自测系统模拟输入信号参数配置类，用以配 置自测系统的每个模拟输入信号对应的通道号； c d l g a o c o n f i g u e 为仿真测试系统自测系统模拟输出信号参数配置类，用以配 置自测系统的每个模拟输出信号对应的通道号； c d l g c o u n t c o n f i g u e 为仿真测试系统自测系统计数信号参数配置类，用以配置 自测系统的每个计数信号对应的通道号。 仿真模型用以仿真系统中各部分的动态行为及彼此的相互作用，在仿真模型 类库我们已经实现并用于使用的主要有电子花样机下位机系统模型处理类、电子 花样机串行口通讯处理类、电子花样机输入输出信号处理类、步进电机类和电 子花样机机械运动模型类等等。 2 仿真算法类 仿真算法类( c s i m u a l g o r b a s e ) 是一个用于仿真运算的基本类，它汇集了常 用的常微方程数值解法。虽然这些常用算法( 如欧拉法、龙格一库塔法、亚当姆 斯法等) 已十分熟，可以找到各种语言的实现程序。然而，由于数据抽象能力不 足，现有的各种算法程都要调用很多参数，接口复杂，使用不够方便。仿真算法 类所要做的主要工作就是简化种常用算法的外部接口，并将它们组织在一个基本 类中以供调用，从而为系统仿真提供个接口简单、结构稳定的算法库。 3 实验框架类 提供对每一次具体的仿真测试实验的控制管理作用，实验框架库中的实验系 统框架将各软件模块和数据有机的结合，形成一个完整可用的仿真测试系统。实 验框架类独立于系统模型类进行设计不仅将实验条件与系统模型分离开来，使仿 西北t 业凡学硕士学位论文第四章软件系统的址计 真测试系统与真实系统具有良好的对应关系，同时也使仿真测试实验的设计更加 灵活方便。 实验框架类的类扩充具有相当大的灵活性，普通开发用户在对该仿真测试系 统具有一定的理解后，即可根据自己的仿真任务自行扩充实验框架类，开发适合 于自己的仿真测试实验类，如果某一实验框架类已完成其使命，也可方便地将其 删除，所有的工作都不会影响其他类。 在设计了实验架基类的基础上，我们迸一步扩充并实现了三个仿真实验框架 类。其类结构如图4 5 所示。 图4 5 实验框架类结构图 其中： c e x p e d m e n t 为仿真实验框架基类，所有自行扩充的仿真实验管理类均从此类 继承。 c e p m u p s y s t e m 为电子花样机上位机系统仿真测试管理类，用于对电子花样 机上位机系统进行的各种仿真测试实验进行管理。 c e p m l o s y s t e m 为电子花样机下位机系统仿真测试管理类，用于对智能化点 在花样机下位机系统进行的各种仿真测试实验进行管理。 c s e l f i e s t 为仿真测试平台信号自测管理类，用于对仿真测试平台的硬件系统 系统进行自测管理。 实验框架基类( c e x p e d m e n t ) 的数据成员主要包括各模型类的指针对象，通 过这些指针对象可以调用模型类的成员函数进行仿真测试实验。成员函数则主要 包括一些虚函数，它们在派生类中根据具体仿真测试任务实现不同的功能。 从以上类设计中可以看到，我们通过使用面向对象的仿真技术使建模与仿真 过程变得极为自然、直观。利用面向对象的继承、熏载和封装技术，可以方便地 对软件进行纵向或横向的扩充与完善。由于采用了面向对象的程序设计方法并遵 循模型与实验相分离的设计原则，使得仿真软件模块具有较大的独立性，提高了 其重用性。各模块可以作为构件为软件的二次开发或其他具有一定相近程度的软 件开发所重用，为此将极大地提高软件的开发效率并延长软件的生命期。 两北t 业大学硕l 学位论义第四嚣软件系统的没计 4 2 5 仿真测试系统工作流程 1 建模流程 本系统进行的建模主要指仿真测试建模，这要求底层模型的动态结构不能变 化，如果底层模型的动态结构发生变化，就需要熏新编译、链接仿真程序，同时 修改仿真数据库中的模型库的表结构，以适应模型结构的变化。而模型的参数( 也 就是模型的外部数据，如i 0 端口的配置参数，串行口协议的参数以及测试脚本 参数等) 则可以根据需求，将需要修改的数据从仿真测试数据库中调出来，用编 辑器交互地修改后进行仿真测试实验，同时可以将其存入到仿真测试数据库中， 下一次实验时就可以直接从数据库中取出使用。 具体建模流程如下： ( 1 ) 从仿真数据库中读出所有系统己提供的模型供用户进行选择，建模 必须在已有型号基础上进行。 ( 2 ) 针对仿真测试的对象选择特定的模型，程序根据被选模型向仿真测 试数据库查询该模型所有相关数据。 ( 3 ) 用户根据经验决定修改某些模型参数，若不修改参数，则直接将模 型数据与模型结构组合成仿真模型，在仿真测试实验时使用。 ( 4 ) 用户修改或重新订制模型参数可以产生新的模型，新模型可以直接 存入仿真测试数据库。 ( 5 ) 如果将新模型存入仿真测试数据库，则下一次仿真实验可以直接调 出新的模型数据与模型结构组合成仿真模型，在仿真测试实验时使用。 2 仿真实验流程 ( 1 ) 输入本次仿真测试实验的名称，同时，如果需要，则给出相关的本 次仿真测试实验的描述信息。 ( 2 ) 确定本次仿真测试实验所使用的相关的模型参数( 如各项模型配置 参数、测试脚本等) 。 ( 3 ) 仿真测试实验的运行，用户可同时观测并进行实时控制。 ( 4 ) 仿真测试实验实时数据记录。将仿真测试运行的相关参数、过程数 据、结果数据实时的保存到实验数据库中，可以进行仿真测试事后再现分析。 3 仿真测试事后再现流程 本仿真测试系统的仿真测试事后再现功能主要是针对仿真测试过程进行事后 再现，用以对仿真测试的过程进行详细分析。 ( i ) 打开仿真测试事后再现功能，并选择某一次仿真测试实验工程。 ( 2 ) 从实验数据库中读出该次仿真测试实验工程的原始数据。 西北工业人学硕j 二学位论文第洲蕈软件系统的设汁 ( 3 ) 将本次实验重现，可选择重现速度的快慢、单步前进或倒退。 4 3 本章小结 本章根据仿真测试平台的软件系统设计目标，采用面向对象技术设计了层次 式的软件体系结构，使该系统具有了可定制性和高度开放性的特点。同时介绍了 系统主要的工作流程。 两北工q k 学硕士学忙论文第五章系统关链挫术研究 第五章系统关键技术研究 在开发软件系统过程中运用了一些关键性技术其中主要有：采用数据可视 技术对数据解释类库中的类进行堤计；采用多线程技术来实现系统的调度；采_ q j 数据采集技术对系统的输入输出信号进行处理；采用数据库技术对系统中的数 据进行存储和管理等。下面我们分别对其进行详细的阐述。 5 1 数据可视技术 随着实际仿真系统中进行计算仿真的捎度和复杂性越来越提高，数据可视 ( d g f av i s u a l i z a t i o n ) 技术成为一种能够高效，准确和直观地进行大量输入，输出数 据的组织和计算结果二维( 或三维) 数据状态分析的有效工具。它是运用计算机图 形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互 处理的理论、方法和技术。其主要特点是交互性、多维性、可视性。数据可视技 术在仿真测试系统中的应用，使得用户能观察仿真测试系统运行的情况，从而将 不可见的变成可见的，丰富了仿真测试运行的过程，使得用户的使用和观察方式 发生根本的变化0 3 i “ 口”。 系统中通过运用数据可视技术对数据解释类库中数据可视元素进行了设计， 将系统中输入输出数据进行了可视的处理，起到的作用主要有： ( 1 ) 使系统时刻都在产生的大量数据得到有效的利用； ( 2 ) 可以在人与数据之闻实现图像通信，从而使人们能够观察到数据隐 含的现象； ( 3 ) 可以实现对仿真测试过程的引导控制，通过交互的手段改变过程所 依据的条件，并观察其影响。 ( 4 ) 直观、形象地显示大量的数据和信息，并进行交互处理。 可视元素的设计思想是通用化，使各种具体工作的类和有良好的封装性函数 组织为a p i 。类库组织为与具体仿真测试目标系统无关的类库，软件的重用在设 计中是关键。 5 1 1 可视元素的设计 下面介绍部分在系统数据解释类库中实现的可视元素，以及如何通过提供的 方法对其进行定制来体现对系统中可视元素的墁计思想。 1 立体按钮元素： 1 立体按钮元素： 西北： 业大学坝卜学位论文 第五章系统关键技术研究 按钮通常表示不同的布尔值如o n o f f ，t r u e f a l s e 等。可以使按钮输入 输出布尔信息或启动应用程序。在仿真测试系统中主要用来显示输入的数字信号 的状态和通过用户点击来改变输出数字信号的状态。该元素可实现多种风格：拨 动开关、l e d 、按钮、o n o f f 按钮。可以根据用户需求进行定制：设置为位图 按钮，更换按钮背景、设置为动画按钮。响应状态可以设置：按下一种状态，释 放后切换状态和按下一种状态直到再次按下切换状态等。效果图如图5 1 所示。 图5 - 1 立体按钮元素效果图 主要提供的属性如表5 1 所示，分别由g e t * 和s e t * 来获取或设置其属性。 表5 - 1 立体按钮元素属性 属性名含义 v a l u e值( 0 或1 ) 响应用户点击的方式：0 点击改变状态1 释放改变状态2 只 m o d e 作为指示器 o f l t e x t按钮值为1 时按钮显示的文本 o f f r e x t按钮值为0 时按钮显示的文本 o n c o l o r按钮值为1 时按钮颜色 o f f c o l o r按钮值为0 时按钮颜色 o f l t e x t c o l o r按钮值为1 时按钮显示的文本颜色 o f 九e x t c o l o r按钮值为0 时按钮显示的文本颜色 c a p t i o n c o l o r 按钮名称的文本颜色 b a c k c o l o r 按钮的背景颜色 c a p t i o n 按钮的名称 该元素通过提供的方法o n c l i c k 0 来实现点击按钮触发：o n d b l c l i c k 0 来双击 按钮触发；0 n v a l u e c h a n g e d ( b o o lv a l u e ) 来设置按钮值改变时触发。 两北下监文学颤 学证论文第五章幕统共犍技蓑研究 2 。立体旋援元素 旋镪聚用一个灏圈柬表示多个穰，麓泰湿示模拟输入值和邋过臻户拨动竣出 模拟毽。该元索可提供多科风橙：旋镪、里程炭、仪表。用户掰以设鬟全程懿璧 程大小，藤锰的转渤可强是动获取豢前值。可设鬣旋纽缓墩加熊方式：立体或逡 续。效果凰如图5 2 联示。 羧瓣髂号秘螂 群 o pa o z p 0 3ra 0 4 k ” | 壁二兰| 糊5 - 2 立俸旋镪元素效慕圈 主隳提供的属性如袋5 2 所示，分别出g e t * 辩ls e t * 米获取戏竣暨其属髅。 表5 - 2 立体麓键元素蕊往 i 属性名禽义 v a l n e镶( o 壤1 ) b a e k c o l o r艇镪的背景戗 f o r e c o l o r麓镶翦指舒灏色 c a n t i o n 旋锻的名称 c a p t i o n c o l o r 菠镢名称的文本颜色 h e d e e v a l u e用户拨动旋镪时每次增女口或减小的傻 a r c s t a r t撂许越始角庹 a r c e n d指针昭康角度 3 ：= 维曲线咒索 采羯= 雄蠡线显示绩碍嬗，横燮稼舞数值窿譬，缀整稼为稽弩裕僮。该元素 可以设定数据添加的方式：追加方式或覆盖方式；媛多可以同时恩示5 条曲线。 效粜圈如图5 3 躜示。 凰5 - 3 二维曲线元素效粜鹭 西北t 业大学硕士学位论文第五章系统关键技术研究 主要提供的属性如表5 3 所示，分别由g e t * 和s e t * 来获取或设置其属性。 表5 - 3 二维曲线元素属性 属性名含义 c a p t i o n 曲线显示区域的名称 c a p t i o n c o l o r曲线显示区域名称的颜色 p l o t a r e a c o l o r 画