（控制理论与控制工程专业论文）基于xml的控制策略组态软件的技术研究.pdf

r 海大学硕 学位论文 摘要 随着工控软件在工业生产中的应用越来越普遍，人们对其性能的要求也越 来越高，传统组态软件由于其设计所带来的缺陷如开放性和实时性差、规模庞 大、使用不够方便等等，如今已经暴露在用户面前。另一方面，先进的软件技 术不断涌现，构件化技术、分布式处理和x m l 等新兴技术为突破现有组态软 件局限带来了契机。 本课题的研究就是站在这些新技术的基础上，以改善传统组态软件的不足 之处为目的，开发一种基于x m l 的构件化组态软件平台。用户可以在此平台 提供的环境中制定控制策略组态和人机界面画面层组态。两者的关系是，组态 后的控制策略文件调入系统底层成功运行后，其结果通过在浏览器端动态显示 的人机界面画面与监控人员进行信息交互。在研究设计该平台的过程中，本文 提出了两点创新： ( 1 ) 借鉴生物神经元的运作原理，仿照硬件集成电路设计的思想，运用构件 化和可视化技术以及x m l 技术，建立合理的体系结构，提出软芯片模型，并 推出了合适的软芯片间数据传递机制。 ( 2 ) 结合本平台的结构体系，将许多知识运用到软芯片开发中，开发出典型 的软芯片如o p cc l i e n t 芯片，数据库芯片组，传递函数芯片等等。 文章介绍了本平台系统的设计思想和实现。主要描述了系统的x m l 架构， 事务逻辑层和控制底层的接口设计和实现，并且给出软芯片驱动和时序模型。 在此之后，结合相关知识，阐述了典型软芯片的设计及其配置。随后对用户界 面层设计思想以及本平台的使用作了一定程度的介绍。 本课题的研究提出一种新的组态软件开发方式，使组态软件的开发朝向新 的方向发展，因此具有十分重要的意义。 关键词：组态软件，软芯片，c o m ，x m l ，o p c v 海大学硕l 学位论文 a bs t r a c t a l o n gw i t hm o r ea n dm o r ep r e v a l e n t l yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r ea p p l i e di n i n d u s t r y , m o r ea n dm o r ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to ft h es o f t w a r ea r eb r o u g h tu p a t p r e s e n tt h ed e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et ow h i c hi sl e db yi t s d e s i g nt e c h n o l o g y , s u c ha sw e a ko p e n i n ga n dr e a l - t i m ec a p a b i l i t y , h u g es c a l e ，a n d b e i n gd i m c u l tt ou s eh a sb e e ne x p o s e dt ou s e r s a tt h es a m et i m e ，m a n ya d v a n c e d t e c h n o l o g i e sw h i c ha r es p r i n g i n gu pc o n t i n u a l l y , l i k es o f t w a r ed e s i g nb a s e do n c o m p o n e n t ，d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，v i l ，e t c b r i n gc h a n c et ob r e a kt h r o u 曲t h e 1 i m i t a t i o no f p r e s e n td e s i g nt e c h n i q u e sf o rt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h er e s e a r c ht a r g e to ft h i st a s ki st og e tr i do ft h ed e f i c i e n c yo ft h ep r e n e n t s o f t w a r e a n db u i l dac o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r l t lb a s e do nx m l u s i n gt h et e c h n o l o g i e sa b o v e u s e r sc a nc o n f i g u r eac o n t r 0 1s t r a t e g ya n dah u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo nt h ep l a t f o r l t l t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e mi st h a t a f t e rt h e f o r m e rm n s t h er e s u l ti sc o m m u n i c a t e dw i t hw o r k e r so nar e m o t ee x p l o r e rs i d ev i a t h e1 a t t e r i nt h i ss t u d yp r o c e s s t w op o i n t so fi n n o v a t i o na r eb r o u g h tf o r w o r d ( 1 ) u s i n gt h ew o r km e c h a n i s mo ft h eb i o l o g i cn e r v ec e l la n dt h ei d e ao fi cd e s i g n f o rr e f e r e n c e ，b a s e do nc o ma n dx m l ，as y s t e mi sb u i l ti nw h i c h “s o f t w a r e c h i p ”m o d e la n dam e c h a n i s mf o rd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns o f t w a r ec h i p s a r eg i v e n ( 2 ) c o m b i n e dw i t ht h ep l a t f o r ms y s t e m sa r c h i t e c t u r e ，m u c hk n o w l e d g ei sa p p l i e dt o d e v e l o ps o m et y p i c a ls o f t w a r ec h i p s ，s u c ha so p cc l i e n tc h i pa n dd a t a b a s e c h i p s e t ，a n ds oo n i nt h i sp a d e rt h ed e s i g ni d e aa n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi si n t r o d u c e d c o m p r e h e n s i v e l y t h ex m la r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m a n dt h et r a n s a c t i o nl o g i c 1 a y e ra n dt h ec o n t r 0 11 a y e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h es o f l w a r ec h i pd i r v ea n d t i m e s e q u e n c em o d e li sg i v e n t h e nh o wt od e s i g na n dc o n f i g u r a t i o nf o r t h e s o f t w a r ec h i pi sd e m o n s t r a t e d a tl a s t t h ed e s i g ni d e ao fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e 1 a y e ra n dh o wt ou s et h es y s t e ma r ei n t r o d u c e dt os o m ee x t e n t s i nt h er e s e a r c ho ft h i ss y s t e man e wd e v e l o p m e n tm o d ef o rt h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei sp u tf o r w a r d ，a n di tw i l lp r o m o t et h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep r o g r o c e s s i n g t o w a r d san e wd i r e c t i o n ，s oi th a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s o f t w a r ec h i p ，c o m ，x m l ，o p c v i 海人学硕l 。学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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t n 意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复e i i i - ，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑五： 导师签名：噩塑 日期： 9 - d 0 6 3 f 占 f 。海火学硕l 学位论文 第一章绪论 自世界上第一套集散控制系统( d c s ) 出现以来，工控软件在工业上逐步 得到大面积的应用，其设计技术也随着工业需求的增长而取得了长足的进步。 随着计算机硬件性能的提高，通信、计算机网络等技术的发展，如今的工控软 件的设计技术更是先进，使得其功能更强大，满足更多的工业需求。但是即便 如此，由于工控软件自身的特点和软件技术的限制，其设计还没有完全摆脱手 工编程的方式，还没有实现大规模的软件重用，其开放性和通用性还不够好。 当前，软件技术正发生革命性的变化，基于构件的软件设计、分布式计算、x m l 等新技术的出现，给突破现有工控软件设计的局限带来了机会，于是如何利用 新的软件技术提高工控软件的开发效率和质量便成了摆在我们面前的一个重要 课题。 本章首先简要介绍工控软件在国内外的发展状况，接着提出本课题的依据， 并在此基础上开展课题的研究工作。 1 1 工控软件的发展与现状 工控软件是伴随着计算机技术的突飞猛进而发展起来的。6 0 年代计算机开 始涉足工业过程控制，但此时工业控制系统在各行业的推广速度非常缓慢。7 0 年代，美国h o n e y w e l l 公司推出世界第一套d c s 集散控制系统配套软件 1 。随 后相继有很多厂家推出自己的工控软件。因为一套完善的工控软件，其设计是 自动控制、计算机和通信技术的融合，涉及到的知识领域宽广，软件规模庞大， 设计难度大，开发的周期长，所以这些软件产品虽然大多数性能优越，但也只 是针对某一方面而言。事实上没有任何一套软件在各个方面都是比较优秀的。 2 0 世纪8 0 年代，由于个人计算机的普及，开始有人研究如何将p c 用于工 业控制，此时w o n d e r w a r e 推出商品化的组态软件产品h a t o u c h 。后来组态软件 在全球得到蓬勃发展，比较著名的有i n t e l l u t i o n 的i f i x ，r o c k w e l l 的r s v i e w 等 卜海= 学顾上学位论文 等【2 _ 【”。 9 0 年代中期，组态软件产业开始在国内发展起来，国产化的组态软件逐步 占领该产业的中底端市场，其中比较有影响力的如北京亚控的组态王，三维科 技公司的力控等。前面所述的那些国外专业软件公司的组态软件目前占据国内 的高中端市场”。 这些组态软件的产生使工控软件向前发展了一大步，但目前的组态软件在 通用性，互操作性，实时性方面还不尽如人意，各厂家的组态软件丌发依然存 在大量低水平的重复劳动。若要实现系统的开放性和通用性，使其能在一套系 统中无缝的集成不同厂家的产品，能在异构的环境中实现应用层的互操作性， 解决工控软件中存在的“孤岛”现象o ，设计者必须跳出传统的组态软件设计 模式，应用最新的理论和技术解决当前组态软件所面临的这些问题。 1 2 课题的技术依据 1 2 1 技术趋势 上文己提到了当前组态软件的不足，这种现象的出现是由其设计思想和技 术所决定的。很多工业组态软件产品总的体系结构还不是基于构件的 1 0 】，而是 建立在以实时数据库为中心的结构上，如图1 1 。 图形界面系统实时数据库j 铣 报警通知i 数据库冗盒控制计苴与控制 n 历 忙= 爿；耐数据库内接睦；： 2 = 一l 薹 蠢 画面显示r “ 据 n 处 工e 与 理 彗 f 霉君程f 一 然方程序接口 肚 兰兰型。糊嘞 遭信程序蛆件 | 1 d 设备 r 1 雨7 一 l 现场设备 图1 1 传统组态软件的体系结构 海人学硕十学位论文 从上图叮以看到，体系中的其他部分与实时数据库耦合紧密。它们的研 究开发都是建立在以数据库为中心的结构上，各模块的执行也要通过定时扫描 数据库来发现数据的变化，进而调用模块的执行；组态时总是要殴置扫描周期 这一对系统运行效果有重大影响的参数。其组态策略生成器中的功能模块，从 根本上说只能是代码的叠加，相互间并无有效的模块间数据驱动机制。它们何 时执行是周期性扫描数据结果决定的。这样会消耗系统大量资源，也使监控的 实时性变差。虽然这种体系开发较简单，但是利用这些组态软件为工具进i ? - 次开发，生成的监控软件运行效率很低，只适应工业过程控制等实时性要求不 高的系统，限制了组态软件在工业中的应用范围。 另外，现在很多组态软件开发平台都集成了图形开发环境，如力控的d r a w ， 为用户开发在客户端或浏览器端显示的监控画丽提供有利工具。d r a w 拥有一些 常用的基本图元，如泵、阀、管道、仪表盘等，但在很多情况下这些子图组件 的各部件属性，内部组成不能灵活控制，用户使用起来尚不够灵活，因此需要 进一步开发显示控件。开发满足要求的a c t i v e x 控件并不是一件轻而易举的事 情，它需要一定的编程技能。而且由于显示形式种类繁多，每一次都得为显示 控件编写代码，导致代码的重用率非常之低。这是传统组态软件开发平台在监 控画面处理上的不足之处。 因为有如此不足，很多专家、学者、研究机构都在积极的探索新理论、新 技术在工控软件设计上的应用，形成了一定的发展趋势： 构件化”】- 2 “。目前有很多新的技术不断地被应用到组态软件当中，组态软 件装机总量的提高促进在某些专业领域专用版软件的诞生，一种称为“软构件 软总线”的技术或将被广泛采用。在这种体系结构下，应用软件以中问件或插 件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。这样做的优点是： 所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调， 一个插件出现故障不会影响其他插件的运行”。x m l 技术将被组态软件厂商善 加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用 模式，满足更为灵活的应用需求。 基于w e b l 2 4 ) 2 。以前组态软件都采用c s 结构，但随着i n t e m e t 技术的发 上海大学硕一l 学位论文 展和其在工控软件领域的应用，现在已经有很多的组态软件采用了b s 结构的 设计模式。这样的系统由数据服务器层、w e b 服务器层和浏览器层组成，它具 有分布式计算的特性，主要优点是集中式管理，将程序、数据库以及其它一些 组件都集中在服务器上，客户端只需配置操作系统及浏览器即可实现对服务器 的访问，从而实现基于w e b 的远程监测、故障诊断、指挥调度和设备管理等。 另外随着微软推出的x m lw e b 服务的兴起，x m lw e b 服务最终也会被应用到工 业控制领域，成为工控组态软件的发展方向之一。 1 2 2 像硬件一样生产 在上节中提到，构件化是组态软件技术发展的一个趋势，其他软件如e r p 系统软件也在往这个方向发展。研究人员都希望能发展一门技术，使得软件的 生产就像集成电路的生产一样，每隔一年半软件规模就增加一倍，工作速度翻 一番。硬件的发展之所以能这样，原因之一是其起步早，工业化程度比较高， 许多集成电路被做成标准器件，以便于功能复用。在搭建硬件电路时，人们可 以直接从市场买到需要的元件，按电路原理图搭建电路就行了。现今硬件的发 展已经具有实现系统集成的功能，个测控、通讯、多媒体、消费类电子系统 或子系统可以集成在一个芯片上，然后这样的：占片再被当作元件使用。相对硬 件而言，软件就没有如此幸运了。虽然软构件的重用在思想上没问题，但实际 上使用第三方的软构件集成时必须深入理解和掌握构件的语言编程接口，在特 定的语言开发环境中编程使用构件，其复杂的接口关系，调用条件，难理解的 模糊描述等导致成本往往高于重新开发构件，阻碍了软构件的重用。而且，软 件正确性验证测试远达不到硬件那样的水平程度，故障率远高于硬件；多构件 协同并行求解一个大问题还存在许多问题；所有的这些缺陷，使得软件的工业 化生产的有效程度远不及硬件。 如今基于构件化的软件开发技术已向前迈出了一大步，应用程序模型已有几 种：微软的c o m + 、n e t ，0 m g 的c o r m a 和s u n 公司的j a v a l 3 e a n ，相应的软构件 彰x 总线技术为异质软构件的开发和“即插即用”制定了规范。应用软件将是由 包含有自描述信息( 元数据) 的构件组成，元数据是由x m l 语言来描述，数据 ：海大学颤卜学位论文 的网络传输采用x m l 来规范，此时x m 技术从软件基石 ：领域剑应用领域都得到 了广泛应用”。 软件的构件技术已解决了多个构件相互操作、交换信息等基础结构问题，但 是构件化技术本质上仅仅给软件的合成提供了可能，只解决了软构件间在低层 的内存级、源代码级、类型信息、协议四个层面的互操作性，而未提供软构件 软总线支撑下的相互间信息驱动和连接机制，故在图形化方面，在软件的复用 方面，在软件的工业化生产方面等总是落后硬件的发展。 可重用的软件构件化技术发展到今天，己不满足于单个构件程序、函数、 类的重用，而是要抽象出系统的设计或体系结构，在软件系统级层次上重用( 就 像硬件不满足于集成单个元件，而是要子系统的全集成) 。“。在系统设计、系 统体系层次上重用，才能产生更大范围的更高级的柔性的可扩展的新软件系统， 能实现这一想法的只能通过图形化的可插拔、可组态的方式来构建软件。 1 2 3 三层体系结构 微软提出的w i n d o w sd n a ( w i n d o w sd i s t r i b u t e di n t e r n e ta p p l i c a t i o n s a r c h i t e c t u r e ，w i n d o w s 分布式集成网络应用体系结构) 以“表现层序务逻辑 层数据服务层”三层体系结构为构架，并将c o m 概念应用于i n t e r n e t ，利用c o m 组件对象在中间层进行事务逻辑服务，处理各种复杂的逻辑计算和演算规则。其 中使用一系列普通的服务，包括w e b 服务、组件服务和信息服务，而这些服务都 通过c o m 以一种统一的方式展示出来，使诸多应用之间易于交互操作和共享组 件，【3 2 】，1 3 ”。 w i n d o w sd n a 为构件化开发思想提供一种体系结构，使得大规模开发、重 用构件成为可能。现在构件有了，并且是很多个，若这些构件能够有效组合， 形成功能更强的构件模块，岂不满足了上一节对于构件重用的追求? 用户不就 可以在系统的事务逻辑层调用这些模块，完成一定的业务需求? 那么，这些构 件的信息怎么交互呢? 能够将构件有效集成的载体可以是x m l 。两个构件之间 要进行信息的交互，其信息的媒质也可以是x m l 。 卜海大学硕 + 学位论文 1 3 研究目的及意义 本课题就是要根据控制系统的特点，站在软件互连、协同工作的高度进行 抽象，采用上文提到的软件设计思想和技术，即b s 三层体系结构，x m l 技 术，软件构件技术等，研究开发一种基于x m l 的应用于工业控制系统的软件 开发平台，即研究如何构建一个具有三层体系结构的控制系统开发平台，使得 人们在其上可以像设计硬件集成电路一样，图形化设计应用程序，并且可直接 进行实时测试或仿真系统；能够白定义构件，集成构件，复用单个构件或集成 后的构件模块；在用户需要访问来自现场的数据时，系统可以提供画面组态的 功能。核心思想是使它向二次开发者提供类似集成电路原理图设计的方式来设 训软件，模拟硬件芯片运行的机制以实现控制系统应用程序的控制逻辑。拟从 以下两个方面进行研究： 1 ) 研究开发逻辑控制层组态。向工程人员提供进行控制策略组态的开发环境， 使得二次开发者在该环境里可以像画电路图一样连接功能模块，完成控制系 统的策略组态并投入系统底层运行。 2 ) 研究开发用户界面层组态。采用基于w e b 的h t m l 组态，构件模块的输入 输出超连接到基于w e b 的h t m l 网页的用户界面元素上，使h t m l 元素( 如 文本框，图像等) 与控制逻辑层交互，实现动画和远程监控功能。 本课题的研究提出一种新的组态软件开发方式，它使组态软件的开发变得 简单，且缩短了软件的开发周期，提高了软件的性能和质量。在软件构件化生 产上向前迈出了一步，有一定的应用价值，将能产生可观的效益。 1 4 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，介绍其在研究开 发控制策略软件组态平台中所做的j ：作。主要内容如下： 第二章概述系统体系的没计。介绍了开发平台的设计思想、体系结构、系 统主要功能及特点、主要设计内容等。在该章的最后一节，简要介绍了开发系 海人学硕卜学位论文 统所应用的最新技术和方法。 第三章详细介绍了系统体系的实现。首先提出体系架构的x m l 语言表述， 接着设讨软总线和软芯片，然后推出软信号驱动和时序模型。 第四章给出了该系统中典型软：卷片模块的设计。该章结合x m l 和c o m 技 术，详细介绍了o p c 数据采集芯片、数据库芯片、传递函数芯片的设计思想， 并实现了其功能。 第五章介绍应用系统组态方法。在简单介绍用户界面层设计思想后，从逻 辑层组态和用户界面层组态两方面举例介绍系统平台的使用。 第六章总结全文，对系统存在的问题和不完善的地方进行说明，并对它的 下一步研究做出了展望。 本 点、主 和方法 2 1 海大学顺_ “学位论文 第二章系统设计概述 章介绍了控制系统开发平台的设计思想、体系结构、系统主要功能及特 要发计内容等。在最后一节，简要介绍了开发本系统所应用的最新技术 ，为后面章节的铺排提供必要的准备知识。 设计思想 2 1 1 构件化开发和可视化设计 本系统的基本设计思想是以b s 三层体系结构为基础，采用构件化的软件 开发方法和可视化设计技术来构建基于x m l 的控制系统开发平台。在阐述本 系统的设计思想之前，有必要先来了解一下基于构件的软件开发和可视化设计 的基本概念。 著名的b r o w n 和w a l l n a u 将构件定义为一个非平凡的、几乎独立的、可替 换的系统组成部分，它在定义完善的体系结构环境中实现一清晰的功能 3 4 【3 5 。 构件表示了系统实现体的一个物理片段，包括软件代码( 源代码、二进制代码或可 执行代码) 或者等同体，如脚本或命令文件。构件自身必须相容于接口且实现接口， 接口表示了驻留在构件内的成分所实现的服务，构件实例为客户端构件提供这 些服务。 构件技术通过封装一定的功能来提供第三方构件，构件本身不需编程改动就 能重用。基于构件的软件开发( c b s d ) 是以构件复用为主的软件开发方法，是人 们为了解决软件危机问题而提出的，是面向对象技术的发展。这种软件开发过程 与搭积木的过程类似，一般先构筑系统的总体软件框架，然后从构件库中检索出 个构件，并依次把它们组装到系统中去。与传统的软件开发不同，基于构件的软 件开发重在软件的集成，而非软件的编程，它们的开发过程模型如图2 。1 。虽然 在实现中免不了编程这一步，但是，软件的开发者只需按照既定的目标选择合适 的构件搭建系统即可，所有的编程细节他都不用操心。由于开发人员无须在功能 模块的实现上花费时间和精力，他们可以更加快速的构建和测试更多的应用程 卜冉大学硕上学位论文 序。实践已经证明，基于构件的软件开发能够普遍提高软件产品的质量和生产效 率，控制系统软件丌发要实现大规模的复用，就必须采用基于构件的软件开发方 法。 传统的过程镬鼎 薜r 构f q - 的过程模掣 图2 1传统开发过程和基于构件的软件开发过程 可视化也是当前软件设计追求的一个目标。长期以来，软件是最终由程序 员编写代码实现，这种方式整个设计，编码，测试过程都比较复杂。可视化技 术以图形化方式提供给开发者完成软件的设计，编码和测试，比较直观，开发 者可以不懂编程，通过简单的操作就可以实现应用程序的构造。从信息检索应 用程序开发到、v e b 服务提供【3 6 】【3 7 】，人们对可视化设计的研究一直都在进行之 中。 本文的设想是将基于构件的软件开发和可视化设计结合起来。如果我们可 以提供一种可视化的设计平台，构件的集成，复用甚至构造都在这里完成，那 么这无疑会让构造软件变得简单，软件开发过程加速，使开发出的产品能更迅 速的投放市场。由于控制软件之问存在许多共性，我们可以通过领域分析把复 杂系统抽象分解成许多简单的基本的环节口”，以这些环节为元构件，或组合它 们形成集成构件，逐步积累加入构件库。在平台上，f 发新的控制应用时，可以 像画集成电路图样，把模块拖出来，按照既定逻辑有机连接配置，一个目标 应用就可以因此生成。 2 1 2 从生物神经元模型得到的启示 任何系统的应用逻辑都表现为多个功能模块，及它们之间的数据流和控制流 海大学硕 。学位论义 的集合。分析系统的数据流控制流，以及系统的流程图，可以发现它们都有共同 的行为特征：1 ) 数据输入，在模块内部进行数据的处理，数据输出：2 ) 通过输 入输出间的连接传递数据、控制信号。功能模块满足1 ) ，它不需要知道数据从 何而来到什么地方去，即不在该模块中进行采集数据和发送数据的代码编写。它 将功能模块的功能实现与事务逻辑中对这些功能模块的连接相分离，从而使软件 在结构以及性能、稳定性等方面获得好处。 在进一步阐述体系架构的设计思想前，我们先来看看生物学中的生物神经 元模型，如图2 2 所示 3 9 】： 图2 2 生物神经元模型 从生物控制与信息处理角度，神经元作为控制和信息处理的基本单元，主 要由细胞体、树突、轴突、突触构成。神经元就是整个细胞。细胞体是神经元 活动的能量供应地，在这里进行新陈代谢等各种生化过程。细胞体的伸延部分 产生的分枝称为树突，树突是接受从其它神经元传入的信息的入口。细胞体突 起的最长的外伸管状纤维称为轴突。轴突是把神经元兴奋的信息传出到其它神 经元的出口。突触，是一个神经元与另一个神经元之间相联系并进行信息传送 的结构。突触的存在说明：两个神经元的细胞质并不直接连通，两者彼此联系 是通过突触这种结构接口的。 神经元通过树触接受其它神经元传递过来的神经递质，在细胞体内进行信 息处理后，将结果信息通过轴突和突触传递给别的神经元。神经元与神经元之 间通过突触相互连接，形成网状结构，是为神经网络。 受生命体神经元模型的启发，类比硬件集成电路的技术，完全可抽象出这样 的概念，定义为软芯片和软芯片的连接： 软芯片，它能在外部数据信号的驱动下从输入脚接受数据，记忆信息，处理 0 r 海大学顺l 学位论文 数据，并输出数据或信号。 软j i ! ! _ = 片类似硬件的集成电路芯片，类似生物的神经元。可以说人的整个神经 元体系是一个软芯片系统。细胞体是芯片，树突是芯片接收信息的输入引脚，它 有多个，每个还有分支。轴突是芯片输出信息的引脚，它只有。个，但有分支。 突触是轴突末梢与另一个芯片的连接点( 突触可分两类，即化学性突触和电触) 。 神经递质是传递的数据，电突触传导是使软j c ! i ：片激活。 有研究表明，神经元之问的连接决定着处理信息的方式。大脑能够经常改变 神经元之间的连接，修正处理信息的方式，这对于软j ! ：片的组态过程来说就是改 变软芯片的连接过程。两个软芯片连接好以后，必须有一种机制实现数据的传输， 在此采用数据驱动机制。对于一个有输入和输出脚的芯片，没有数据给它，它是 不会被激活运行的；即使有数据给它，还得看该数据是哪个输入引脚上的。第三 章对此作了详细的描述。 由于x m l 的优越性，采用它创建本体系的构架，为软芯片，芯片管脚，软 芯片集成，复合芯片，目标组态文件等定义了x m l 标记，使用这些标记来描述它 们。软i 卷片与软芯片之间传递的是x m l 数据，组态运行时处理的也是x m l 数据。 整个系统都建立在x m l 之上。 总之，我们就是要以设计控制系统开发平台为目标，借鉴生物神经元的运作 原理，仿照硬件集成电路设计的思想，运用构件化和可视化技术，建立一个基于 x m l 的控制系统开发平台。在这个平台上，用户可以定制软芯片，可以重用集 成后的软芯片子系统，可以图形化的设计控制系统并仿真或测试，并将所得结果 通过网络传送到远程的浏览器上。 为了更好地说明上述的设计思想，我们举一个简单的例子来介绍如何在本 平台上对控制系统进行软件建模。 江互h 耐州z s 卜 图2 3 一个简单控制系统框图 图2 3 是一个简单的控制系统结构图，p i d 控制器控制对象的传递函数是 海人学硕l 学位论文 k s ( s + 1 ) ( 2 s + 3 ) 。对于这个要处理的对象来说，它是由3 个基本的处理环节组成 的。信号经过前一个环节的处理再传输给后续的环节，因此，每一个环节都是 个基本的处理单元，它接受数据的输入，在内部进行运算，然后再通过输出 节点输出数据。如果事先为这些基本环节构造了软件构件，那么要实现图2 - 3 中的控制回路，就可以由这些基本的构件来组装实现，如图2 4 。这种组装可以 可视化地进行，用图形之间的连接来代表构件的连接。p i d 以及惯性环节所需 要的参数可以通过用户对构件进行配置得到。系统的输入与输出也对应构件库 中相关的构件，由用户具体配置数据来源或去向。当然，按照预定设想，每个 软芯片的信息都以x m l 数据的形式记录，运行时两个软芯片交互的信息也是 图2 4 控制系统的构件化设计 2 2 体系结构 当今的控制系统，包含大量需要实时处理的数据，系统的数据流、控制流 是设计者关心的地方。这些要处理的数据，来自不同的源，如本地文件、串行 口、网络、数据采集卡、多媒体流等等，且它们都具有相异的格式。另外，控 制系统的设计者并不关心系统中的硬件操作行为，只要能读写其数据就可以了。 传统组态软件在以上几个方面解决得并不够好。在上一节我们已经描述了本系 统的设计思想，现在根据这个设计思想给出本系统体系架构如图2 5 所示。在 图中展示了应用程序、软芯片基础体系、外设间的关系。按软芯片在软芯片基 础体系中所处位置的不同，软芯片被分为三类。源芯片表示用于从外部接收数 据的软：占片，数据源可以是硬件设备，文件，通用数据库，甚至是网络上的数 据等等；控制处理芯片则是用于对传送过来的数据加以计算和处理：呈现芯片 用于将处理完的数据输出到外部，比如用户界面，硬件设备，数据库等等。系 统运行时，数据从外界流入之后，在系统内部的各个软芯片对象中得到实时处 卜海大学顾卜学位论文 理和传输，最后被输出到用户界面或其它媒介。软芯片连接和协作关系可以由 用户在构造应用程序时通过组态的方式建立，软芯片对象实例由系统创建，同 时实现对应用程序的执行。 图2 5 体系架构图 本平台不同于常规的组态软件，它是完全构件化的，用户在构建控制系统 应用程序时，完全像硬件工程师设计电原理图那样设计系统就可以了。设计好 的图和用户组态配置的信息被保存后的x m l 文件，就是系统运行时的内存映 射；系统运行的数据流，控制流就是设计图中的流程图。对于本系统来说，所 有的逻辑功能都是由具有输入输出的软芯片完成的。一个设备不过映射为本系 统的一个软芯片，对外部设备的访问是通过其该设备对应的软芯片进行的，而 系统的功能是这些芯片相互连接相互作用的集体行为的体现。软j 签片构件是本 平台的重要组成，也是用户唯一能与本平台交互的东西。由于系统是完全构件 化的，故其有较好的开放性和可扩展性，易于维护和修改。 2 3 系统功能及特点 本研究的最终目的是要设计可图形化开发控制系统的构件化的开发平台， 形成具有自主知识产权的系统软件，利用它可以方便的构建基于p c 的控制系 统。在这个平台上，处于二次开发位置的工程师可以按照工程需要合理的进行 控制策略组态，并保存其组态结果。同时要按照图2 5 所示的，将结果输出到 处于浏览器端的用户界面上，让用户可以通过简单操作就能监控系统的运行情 况，这就需要对用户监控页面进行组态，并保存页面组态。待控制策略组态和 卜海人学硕l 一学位论文 页面组态在平台上运行时，运行结果就能动态的显示在用户端的浏览器上了。 图2 6 给出了系统的功能描述。 系统 磊乏纛、一_ 、一、) 。；、：( m 6 m ，i ) f 、，一* 7 、 芝竺! 少7 氤磊 = = ：= = 、9 、：二 入 图2 6 系统功能的用例匿表示 总的说来，本开发平台的设计具有以下特点： 借鉴学习硬件集成电路和生物神经元体系的思想，构建软芯片模块，以 x m l 为各模块自描述和数据交互的介质，各软芯片间的数据传输采用数据驱动 的方式，建立一个能可视化设计应用的有良好开放性和扩展性的构件化的平台 系统。 提出了一种控制软件复用的标准软芯片对象模型，所有的软芯片都要 遵循这个模型设计开发，惟有这样，各厂商才能按照统一的标准生产软芯片， 才有可能实现软芯片模块的大规模复用。 建立了软芯片元数据的x m l 构架。使用x m ls c h e m a 定义了一套软芯片 元数据的x m l 标记( 见附录一) ，我们用它来描述软芯片以及它们之间的协作， 软芯片的集成是在此基础上实现。 采用了基于构件的软件开发方法。使用本系统，开发者在开发控制程序时， 不需要一切从头做起，可以从软芯片库中检索需要的软芯片进行无缝集成。这 样可以缩短控制软件的开发周期，并且丌发的控制软件具有较高的质量。 采用了可视化编程方法。用户在构建目标应用时，就像画流程图一样直观， 只需从软芯片库中选择软芯片插入到绘图区间中，然后对表示软芯片的图标进 行简单的配置和连接即可。系统将自动保存用户的配置信息并生成组态文件， f ：海人学硕i ：学位论文 组态文件可以被系统的底层程序解析并执行。 2 4 采用的技术 本系统借鉴仿照硬件集成电路和生物神经元体系的思想，充分利用当今计 算机、自动化技术发展的成果，采用了许多最新的软件技术，其中c o m d c o m 技术和x m l 技术构成了本系统设计技术的基础。 由于本系统采用了基于构件的软件开发思想，因此选择适合的构件模型是 很重要的。由于本系统选择w i n d o w s 作为操作系统，因而c o m d c o m 是最好 的选择。软芯片构件模型即是基于c o m d c o m 的，对c o m d c o m 构件模型 的介绍，将有助于对软芯片构件模型的理解和说明。 在本系统中，x m l 语言既是作为软芯片的描述语言，又是软芯片集成的胶 合剂，以及软芯片信息交互的媒介，使用本系统开发得到的组态文件也是x m l 文本。后面将给出x m l 的相关介绍。 2 4 1c o m d c o m c o m + z 4 1 1c o m c o m 即构件对象模型，它是m i c r o s o f t 为解决软件的互操作性、跨平台性， 实现在操作系统级集成不同开发语言和开发者的应用而提出的一种构件技术规 范。c o m 定义了创建构件的标准，也定义了构件和它们的客户之间能够交互的 方式，这种交互通过c o m 对象实体来进行。客户程序不需要关心构件模块的 名称和位置，但必须知道自己在与那个c o m 对象进行交互，这就要求对对象 进行标识。在c o m 规范中，每个对象有个1 2 8 位的g u l l ) ( 全局唯一标识符) 来标识，称为c l s i d ( 类标识符或类i d ) 。用c l s i d 标识对象可以保证在全球 范围内的唯一性。当系统中含有这类c o m 对象的信息，并包括c o m 对象所在 的模块文件以及c o m 对象在代码中的入口点时，客户程序就可以由c l s i d 来 创建c o m 对象。 虽然c o m 对象是客户程序进行交互的实体，但c o m 规范对c o m 对象并 没有实现方面的要求。它是建立在二进制基础上的面向对象构件的对象实体， 【海大学硕l 学位论文 所以c o m 对象具有封装的特性和可复用性。c o m 对象的数据成员的封装以构 件模块为最终边界，对于对象用户是完全透明的、不可见的。c o m 对象的可复 用性表现在c o m 对象的包容和聚合，而不论哪一种形式，c o m 对象的复用是 动态的，一个对象可以完全使用另一个对象的所有功能。 c o m 的接口规范并不是建立在任何编程语言的基础上，而是规定了二进制 级的标准，任何语言只要有足够的数据表达能力，就可以对接口进行描述， 从而可以用于与构件程序有关的应用开发。c o m 的接口具有不变性和继承性， 即约定的接口相对稳定及在基接口基础上可进一步扩展。 c o m 的接口规范规定，任何c o m 接口都必须从i u n k n o w n 接口继承而来。 i u n k n o w n 接口提供了两个重要的特性：生存控制和接口查询。通过引用计数 a d d r e f 0 和r e l e a s e ( ) 可以有效地控制对象的生存周期，通过接口查询函数 q u e r y i n t e r f a c e 0 来完成接口之间的转跳，从而实现对c o m 构件的灵活调用。 c o m 除了定义构件程序和客户程序交互的规范以外，也提供了c o m 的实 现部分即c o m 库。c o m 库充当了构件程序和客户之间的桥梁，尤其是在构件 对象的创建过程中，以及在对象管理、内存管理和一些标准化操作等方面起着 重要作用。 在w i n d o w s 系统平台上，一个c o m 构件或是一个d l l ( 动态连接库) 文 件，或是一个e x e ( 可执行) 文件。一个构件程序可以包含多个c o m 对象， 每一个c o m 对象可以实现多个接口。它们的关系可展现如图2 7 所示。 c o m 组什 r 一r i | 对象1对象n 【t oo t o 图27 构件、对象和接口的关系 2 4 1 2d c o l c o m + j d c o m 即分布式组件对象模型( d i s t r i b u l e d c o m ) ，是跨网络的二进制c o m 对象的基本扩展，使跨网络实例化和绑定对象成为可能。简单的说，d c o m 是 一个高层网络协议，它使基于c o m 的组件在位于不同机器上的两个进程间协 j ：海火学硕j 一学位论文 同工作。d c o m 使得程序员不必编写网络代码去处理分布式组件网络交互所需 的通信。 c o m 规范中c o m 组件能提供远程访问的能力，d c o m 扩展了这种能力， 它对c o m 组件的跨环境访问实施了优化，并提供了安全性框架。d c o m 是c o m 的无缝扩展，所以可将基于c o m 的应用、组件、工具和知识转移到标准化的 分布式计算领域中来。 d c o m 组件的位置具有独立性，可以独立进行配置，因此，客户可以根据 配置选择服务器，便于在多个服务器中实现负载平衡，同时也便于服务器的扩 充。 安全性是任何一个分布式应用都要关注的问题。d c o m 无须在客户端和组 件上进行任何专门为安全性而做的编码和设计工作，就可以为分布式应用系统 提供安全性保障。就象d c o m 编程模型屏蔽了组件的位置一样，它也屏蔽了组 件的安全性需求。在无须考虑安全性的单机环境下工作的二进制代码能够在分 布式环境下以一种安全的方式工作。d c o m 通过让开发者和管理员为每个组件 设置安全性环境而使安全性透明。 c o m + 倡导一种新的设计概念，c o m 组件提升到应用层，把低层实现细节 留给操作系统，使c o m + 与操作系统的结合更加紧密。 2 4 2 x m l 技术 x m l 是e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e 的简称，