WinCE系統(tǒng)流程場景化設(shè)計方法研究與應(yīng)用

馬軍霞　張　鐸　丁國強　熊　明

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院1,河南 鄭州　450002；鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2,河南 鄭州　450002)

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WinCE系統(tǒng)流程場景化設(shè)計方法研究與應(yīng)用

馬軍霞1張鐸2丁國強2熊明2

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院1,河南 鄭州450002；鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2,河南 鄭州450002)

隨著工業(yè)設(shè)備在復(fù)雜控制領(lǐng)域的不斷發(fā)展，其控制系統(tǒng)越來越龐大。為了降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，針對嵌入式控制系統(tǒng)的特點進行研究，提出了一種基于WinCE系統(tǒng)的流程場景化設(shè)計方法。該方法以應(yīng)用場景為基礎(chǔ)配置工作流程，通過有限狀態(tài)機和多線程技術(shù)結(jié)合來實現(xiàn)動作機構(gòu)自動化運行，并將其應(yīng)用到觸摸式工業(yè)分析儀控制系統(tǒng)的設(shè)計中。研究結(jié)果表明，該方法具有業(yè)務(wù)集中、結(jié)構(gòu)松耦合、代碼復(fù)用效率高的優(yōu)點，適用于嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)。

嵌入式控制系統(tǒng)WinCE系統(tǒng)流程場景化有限狀態(tài)機多線程技術(shù)工業(yè)分析儀線性回歸修正自動化

Linear regression correctionAutomation

0　引言

近年來，嵌入式系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是其設(shè)計方法仍然相對滯后。由于嵌入式設(shè)備往往針對某一類應(yīng)用場景進行單獨的設(shè)計和定制，其設(shè)計思路和方法不能用于其他設(shè)備，將導(dǎo)致應(yīng)用場合受到限制[1-2]。本文參考了企業(yè)管理信息系統(tǒng)中業(yè)務(wù)流程管理和流程自動化的方法[3-5]，結(jié)合嵌入式設(shè)備軟硬件協(xié)同設(shè)計的特點，對工業(yè)分析儀控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并從中提煉出流程場景化的設(shè)計方法。該方法適用于基于微軟公司嵌入式、移動計算平臺基礎(chǔ)(windows embedded compact,WinCE)的嵌入式控制系統(tǒng)，并以業(yè)務(wù)集中、結(jié)構(gòu)松耦合的特點，為程序設(shè)計開發(fā)和維護升級提供了便利。

流程場景化設(shè)計是將系統(tǒng)工作流程與業(yè)務(wù)場景相結(jié)合的一種設(shè)計方法。通過對任務(wù)需求進行分析，把整個系統(tǒng)劃分為多個功能模塊，分別實現(xiàn)不同的功能。在每個工作場景下，對各自需要的功能模塊進行組合，最后根據(jù)工作流程將這些場景組合起來，構(gòu)成一個完整的處理過程。這就是流程場景化設(shè)計的總體思想，這種方法設(shè)計的程序具有業(yè)務(wù)集中、結(jié)構(gòu)松耦合的特點。

流程場景化設(shè)計方法主要應(yīng)用在嵌入式控制系統(tǒng)中，可以明顯減少代碼數(shù)量，提高代碼復(fù)用率。在實現(xiàn)過程中，通過有限狀態(tài)機建模、有限狀態(tài)機和多線程結(jié)合的方式，可自動判斷系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)復(fù)雜場景的切換控制，從而滿足系統(tǒng)實時性、可擴展性和可靠性方面的要求。由于該方法對系統(tǒng)硬件沒有特別的要求，理論上可滿足大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的實際需要。

1　系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)流程場景化的方法，對基于WinCE的工業(yè)分析儀控制系統(tǒng)進行設(shè)計。系統(tǒng)硬件部分采用了SMART 210-S70觸摸屏作為人機交互終端，配置了三星S5PV210的主處理器。該處理器采用ARM CortexTM-A8內(nèi)核和ARM V7指令集，可實現(xiàn)2 000 DMIPS的高性能運算，完全滿足了工業(yè)分析儀系統(tǒng)的需求。同時，該系統(tǒng)使用了58 mm熱敏打印機進行數(shù)據(jù)輸出，打印速度快、占用空間少。

在Windows 32位系統(tǒng)環(huán)境下，使用Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)工具以及MFC類庫對工業(yè)分析儀控制系統(tǒng)進行開發(fā)[6-7]。

工業(yè)分析儀控制系統(tǒng)可以劃分為如下模塊。

①交互界面模塊：負責(zé)以表格形式實時更新試驗結(jié)果、被選取坩堝的位置以及系統(tǒng)硬件狀態(tài)指示等最直觀的試驗數(shù)據(jù)。

②工作測試模塊：該模塊是流程場景化方法應(yīng)用的核心部分，分為水分試驗、灰分試驗以及揮發(fā)分試驗三種，用戶可根據(jù)需要選取相應(yīng)的測試項目并檢測，最后對試驗結(jié)果進行分析，得出樣品的成分含量。

③參數(shù)設(shè)置模塊：負責(zé)試驗前各種參數(shù)的設(shè)置，包括硬件通信接口及其波特率的設(shè)置、不同試驗的加熱溫度和保持時間、PID參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)修正值設(shè)置等。

④系統(tǒng)調(diào)試模塊：主要完成對系統(tǒng)硬件部分的獨立調(diào)試，以保證系統(tǒng)硬件各部分的功能正常。

⑤數(shù)據(jù)管理模塊：將每次試驗完成后的分析結(jié)果保存在系統(tǒng)非易失儲存器內(nèi)，并根據(jù)用戶需要提供數(shù)據(jù)的查詢、上傳及打印功能。

系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1　Function module diagram of system

2　系統(tǒng)工作流程

根據(jù)測試需求，儀器會按照熱重分析原理[8]，遵循測試流程自主進行樣品測試。試驗啟動后，儀器將逐項進行操作員選擇的檢測項目，并根據(jù)試驗的不同階段、不同類型提示操作員配合執(zhí)行相關(guān)操作，直至檢測完成，得到檢測數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)初始化完成以后，開始執(zhí)行系統(tǒng)自檢、機構(gòu)復(fù)位等操作，操作人員根據(jù)系統(tǒng)提示和實際需要設(shè)置合適的恒溫溫度、恒溫時間及PID參數(shù)等，然后再根據(jù)系統(tǒng)提示稱量空坩堝和煤樣質(zhì)量；經(jīng)操作人員確認，儀器進入自動測試模式，利用分段式PID溫度控制算法，精確控制加熱溫度達到并保持在設(shè)定值；待水分、灰分及揮發(fā)分試驗達到相應(yīng)的測試時間后，儀器將對樣品進行冷卻，再由天平進行稱量；最后系統(tǒng)根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算試樣水分、灰分和揮發(fā)分等技術(shù)指標(biāo)，將計算結(jié)果顯示在觸摸屏上的程序主界面中，并在后臺自動保存到非易失存儲器中。

在系統(tǒng)進行工作測試的過程中，負責(zé)項目測試的核心文件為EXPER.H以及EXPER.CPP。這兩個文件主要規(guī)定了工分儀在檢測過程中處于不同階段時的動作過程控制。試驗過程分為三個時期：準(zhǔn)備期、試驗期、結(jié)果期。準(zhǔn)備階段負責(zé)加熱前的樣品稱重，試驗階段集中處理不同種類的試驗，最后將準(zhǔn)備階段與試驗階段的檢測數(shù)據(jù)進行比較并計算，得到試驗結(jié)果。

系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)流程圖Fig.2　System flowchart

試驗期試驗又分為三種不同類型，分別是水分試驗、灰分試驗、揮發(fā)分試驗，它們都是以熱重法為分析原理，具有相似的試驗步驟，僅在算法、加熱溫度、加熱時間、檢測過程等方面存在差異性。通過分析，每種試驗可分為進入階段、等待溫度階段、等待計時器階段和離開測試階段，在不同的階段完成相應(yīng)的動作。以水分試驗為例，系統(tǒng)在進入階段把水分PID參數(shù)送給系統(tǒng)，然后給高溫爐內(nèi)通入氮氣，開始加熱；在等待溫度階段，檢測實際溫度與設(shè)定溫度差值，判斷是否加熱到預(yù)定值；當(dāng)溫度加熱至預(yù)定值時，進入等待計時器階段，利用PID分段控制算法，使溫度保持在107 ℃，并計時保持30 min；計時完成后離開試驗階段，關(guān)閉氮氣，對樣品進行稱重并計算水分結(jié)果。除放樣和參數(shù)設(shè)置外，整個試驗過程無需人工干預(yù)，均由系統(tǒng)自動完成，且可保證試驗精度和安全性。

3　流程場景化技術(shù)內(nèi)涵及特點

試驗類型分為水分試驗、灰分試驗及揮發(fā)分試驗三種，根據(jù)流程場景化設(shè)計方法，分別使之對應(yīng)三種不同的場景：水分測試場景(CWaterState)、灰分測試場景(CAshState)和揮發(fā)分測試場景(CVolState)。每個場景下的流程相同，分為進入試驗(StaEntry)、等待溫度(StaWaitTemp)、等待計時(StaWaitTimer)、結(jié)束試驗(StaLeave)。每個流程按照順序執(zhí)行設(shè)定好的動作，共同完成工業(yè)分析儀對煤樣三種指標(biāo)的自動化測量，其檢測流程如圖3所示。這種設(shè)計使得不同種類的試驗可以復(fù)用代碼，整個程序結(jié)構(gòu)更加清晰，也減少了開發(fā)人員的工作量。

圖3　檢測流程場景化結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure of process scenarios

3.1業(yè)務(wù)集中

流程場景化設(shè)計的特點之一就是業(yè)務(wù)集中。在稱重處理中，由于不同場景下對被測樣品的物理化學(xué)性質(zhì)的測試需求有所不同，稱量時要考慮坩堝帶蓋和不帶蓋這兩種情況。在這兩種情況下，分別進行空坩堝和坩堝加樣品的稱重，通過前后對比計算樣品質(zhì)量。如果按照試驗流程順序編寫程序，會導(dǎo)致系統(tǒng)業(yè)務(wù)分散、條理性差的結(jié)果。針對這種情況，把試驗階段和準(zhǔn)備階段分開編寫，用OnScalageProcess()函數(shù)統(tǒng)一處理坩堝和樣品在水分、灰分、揮發(fā)分三種試驗場景中各個階段的稱量過程；后期在試驗過程中，只需調(diào)用該函數(shù)即可實現(xiàn)稱重處理的功能，使整個系統(tǒng)體現(xiàn)出業(yè)務(wù)集中、結(jié)構(gòu)松散的特點。

3.2結(jié)構(gòu)松耦合

為了便于不同場景下對各模塊的調(diào)用，工分儀控制系統(tǒng)采用松耦合的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是模塊之間依賴性很小，改變一個模塊幾乎不會影響到其他模塊[8-10]；在靈活性方面，它能夠根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求靈活組合，減少開發(fā)成本。在可維護性方面，緊耦合系統(tǒng)因為其組件的接口與功能結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系很緊密，當(dāng)對程序某個部分進行修改時，系統(tǒng)會變得很脆弱；松耦合系統(tǒng)在改變程序某個部分時，其他組件仍能正常運行，便于研究人員后期調(diào)試。

在系統(tǒng)的灰分試驗場景中，有經(jīng)典法和快速法這兩種檢測方式。如果用戶選擇經(jīng)典法加熱，在第一階段，系統(tǒng)緩慢升溫至500 ℃，并保持30 min，第二階段繼續(xù)升溫至815 ℃，保持在此溫度下灼燒規(guī)定時間；如果是快速法加熱，系統(tǒng)將直接升溫至815 ℃，并在此溫度下灼燒到規(guī)定時間。在對快速法進行設(shè)計時，僅需對經(jīng)典法加熱過程的StaWaitTemp()函數(shù)重新設(shè)定溫度值，無需對系統(tǒng)其他組件進行改動，體現(xiàn)出松耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

3.3有限狀態(tài)機與多線程技術(shù)

在對本程序項目試驗階段進行設(shè)計的過程中，研究人員參考了游戲開發(fā)中經(jīng)常用到的有限狀態(tài)機(finite state machine，F(xiàn)SM)的思想，并將這種設(shè)計思想和分析方法引入到工業(yè)分析儀的控制系統(tǒng)中。

有限狀態(tài)機的本質(zhì)是一種數(shù)學(xué)模型，用來描述有限多個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作。一個完整的有限狀態(tài)機由狀態(tài)、事件、動作及狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)等幾個要素組成[11-12]。系統(tǒng)通過事件驅(qū)動在各個狀態(tài)間遷移：從一個初始狀態(tài)開始，系統(tǒng)接收到有效的事件輸入，產(chǎn)生一個動作輸出，經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)變換到一個新的狀態(tài)。將這種機制用于軟件設(shè)計中，控制復(fù)雜場景的切換，具有很好的適應(yīng)性，可以使程序變得簡潔高效、復(fù)用性強。

在對坩堝及樣本進行稱量的過程中，由于系統(tǒng)每次只能對一個坩堝進行稱量，設(shè)計人員引入有限狀態(tài)機抽象出稱量過程的自動化流程。系統(tǒng)對待測坩堝的稱量及對轉(zhuǎn)盤的動作控制，是以用戶預(yù)先設(shè)定的檢測條件及待測坩堝數(shù)量為依據(jù)的。通過與串口通信，可得外部硬件設(shè)備信息，以判斷狀態(tài)機是否進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)按照升盤、轉(zhuǎn)動定位、降盤、稱重和復(fù)位這幾個狀態(tài)節(jié)點自動進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。UML有限狀態(tài)機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　UML有限狀態(tài)機圖Fig.4　UML finite state machine

為保證對試驗過程的實時監(jiān)控，一方面，系統(tǒng)使用多線程技術(shù)來實時讀取被測樣品所處狀態(tài)，并實時更新到主界面，在主界面上會有一個區(qū)域?qū)ｉT顯示轉(zhuǎn)盤位置，方便操作人員隨時掌握試驗進度；另一方面，在判斷有限狀態(tài)機是否進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，讀取線程周期性獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將其作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換的判斷依據(jù)。在系統(tǒng)運行過程中，這些線程與負責(zé)程序主要流程的工作者線程和負責(zé)響應(yīng)用戶事件的用戶接口線程相互獨立，CPU按照優(yōu)先級分時處理。利用MFC框架下的多線程技術(shù)與有限狀態(tài)機結(jié)合，使得系統(tǒng)能夠并發(fā)執(zhí)行多個不同的業(yè)務(wù)流程，保證了測試流程的正確執(zhí)行。

4　數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)在完成對煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分等指標(biāo)的分析后，使用MFC類庫中的CArchive類文件，以二進制的形式將分析結(jié)果自動保存在非易失存儲器中。另外，系統(tǒng)也可以將分析結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口上傳到遠程服務(wù)器。用戶可以通過局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的任何一臺設(shè)備進行查詢，大大提高了分析結(jié)果的實時性和有效性。

系統(tǒng)根據(jù)國標(biāo)規(guī)定的計算公式[13]，對檢測數(shù)據(jù)進行分析計算。由于在高溫和低溫情況下坩堝的質(zhì)量會發(fā)生變化，因此在工業(yè)分析儀的計算過程中，需要分別采集低溫和高溫下空坩堝質(zhì)量、加樣坩堝質(zhì)量。此外，在測定水分、灰分時采用不加蓋的坩堝數(shù)據(jù)，而在測定揮發(fā)分時采用加蓋的坩堝數(shù)據(jù)。將0#坩堝與1#坩堝置于同等條件下進行測驗，其中0#坩堝不放置樣品，僅作為數(shù)據(jù)修正使用。對1#坩堝與0#坩堝分別稱重，計算加熱前的樣品質(zhì)量；在儀器內(nèi)加熱到指定溫度，待持續(xù)到指定時間后，對托盤內(nèi)的坩堝分別稱重。通過0#坩堝加熱前后的質(zhì)量對比，可以得出坩堝容器質(zhì)量隨溫度變化的系數(shù)。通過1#坩堝加熱前后的質(zhì)量變化，減去坩堝本體隨溫度變化量，則可得到高溫加熱后的試樣殘重。將加熱后的試樣殘重與加熱前的樣品質(zhì)量進行對比，即可得到1#坩堝中樣品的水分或灰分含量。

對于揮發(fā)分含量的計算，只需將加蓋的坩堝數(shù)據(jù)代入上述流程參與計算即可。

由于實際應(yīng)用中存在溫度和濕度等客觀環(huán)境因素的影響[14]，系統(tǒng)測得的結(jié)果可能會有偏差，因此需要對儀器設(shè)備進行線性回歸修正。這就是通過測量標(biāo)準(zhǔn)煤樣，在其水分、灰分以及揮發(fā)分的含量都已知的情況下，對儀器進行標(biāo)定的過程。用戶將標(biāo)準(zhǔn)煤樣的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入后，系統(tǒng)自動計算和保存線性回歸系數(shù)，并利用該回歸系數(shù)數(shù)值對測試結(jié)果進行自動修正。

5　系統(tǒng)測試

將編寫好的程序進行編譯鏈接，生成解決方案。編譯完成后，使用ActiveSync軟件在PC端和硬件設(shè)備上同步調(diào)試程序。點擊調(diào)試按鈕后，PC端桌面和觸摸屏上同時出現(xiàn)TYGF-6000工業(yè)分析儀系統(tǒng)主界面。聯(lián)調(diào)過程中，利用單步執(zhí)行監(jiān)控程序執(zhí)行過程，并在程序關(guān)鍵位置設(shè)置斷點，檢查執(zhí)行的中間結(jié)果。經(jīng)調(diào)試無誤后再把系統(tǒng)軟件裝載到WinCE平臺中，進行整機測試。

在參數(shù)設(shè)置完畢及各部件單項測試完成以后，進行工業(yè)分析儀的精確度測試。采用5組干基標(biāo)準(zhǔn)煤樣和19組普通煤樣，分別進行分析，全部測試過程嚴格按照GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》的規(guī)定執(zhí)行。5組干基標(biāo)準(zhǔn)煤樣編號分別為GBW11103h、GBW11104h、GBW11107s、GBW11109j、GBW11110h，其標(biāo)準(zhǔn)煤樣灰分及揮發(fā)分的分析結(jié)果如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)煤樣灰分和揮發(fā)分分析結(jié)果Tab.1　Analysis results of ash content and volatile component in standard coal samples

表1中，5組標(biāo)準(zhǔn)煤樣的測量值均按照3次測量得出的平均值來計算，通過將平均測量值與給定標(biāo)準(zhǔn)值相比較，試驗誤差均小于0.2%，滿足國標(biāo)規(guī)定的精確度要求，說明工業(yè)分析儀可以進行準(zhǔn)確測試。根據(jù)GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析法》中對煤樣灰分、揮發(fā)分測試精密度的規(guī)定，本次設(shè)計所使用的工業(yè)分析儀其差值及重復(fù)性均在國標(biāo)規(guī)定的再現(xiàn)性臨界差及重復(fù)性限的范圍內(nèi)，表明其水分、灰分及揮發(fā)分三個指標(biāo)的檢測精度都能夠滿足國標(biāo)要求。

6　結(jié)束語

本文提出了一種WinCE系統(tǒng)流程場景化設(shè)計方法。該方法將系統(tǒng)工作流程與業(yè)務(wù)場景相結(jié)合，可根據(jù)用戶選擇的應(yīng)用場景靈活配置工作模塊，具有結(jié)構(gòu)松耦合、業(yè)務(wù)集中的特點；通過有限狀態(tài)機和多線程技術(shù)結(jié)合的方式，自動判斷動作狀態(tài)，可實現(xiàn)系統(tǒng)動作的自動化控制。結(jié)合觸摸式工業(yè)分析儀控制系統(tǒng)設(shè)計實例，進行了詳細說明，驗證了該方法對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計具有一定的優(yōu)越性，對于同類應(yīng)用開發(fā)也具有一定的參考價值。

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Research and Application of the WinCE- based Design Method for Process Scenarios

With the development of industrial facilities in sophisticated control field,related control systems are becoming increasingly large.In order to reduce the complexity of system design,the characteristics of embedded control systems are studied and a process scenarios design method based on WinCE is proposed.On the basis of application scenarios,the workflow is configured; automatic operation of actuating mechanism is implemented by combining finite state machine with multi-thread technology.The method is also applied in the design of control system of touch-type industrial analyzer.The result of research shows that the method has many advantages,including business concentrated,structure loosely coupled,and high efficiency of code reuse; it is suitable for development of embedded control systems.

Embedded control systemWinCE systemProcess scenariosFinite state machineMultithread technologyIndustrial analyzer

馬軍霞(1974—)，女，2007年畢業(yè)于鄭州大學(xué)軟件與理論專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要研究方向為計算機控制技術(shù)、軟件工程開發(fā)應(yīng)用。

TH-3;TP216+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610003

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：U1204603)；

鄭州輕工業(yè)學(xué)院研究生創(chuàng)新基金資助項目(編號：2014004)。