摘   要： 以自主開發的基于Freescale HCS08的運動控制嵌入式系統為平臺，以用戶對數控工作臺的需求為基礎,采用統一建模語言UML建立數控工作臺下位機用例圖,根據對用例圖的分析建立系統下位機狀態模型，明確各個狀態模型之間相互轉移的條件和約束關系,并對軟件總體流程做較為嚴謹的設計，使設計出來的下位機程序不僅能夠滿足用戶對系統功能的需要,而且具有較高的可靠性和可維護性。
關鍵詞： HCS08; 數控工作臺； 統一建模語言； 用例； 狀態模型

    隨著電子技術的發展和運動控制技術的成熟，人們開始將運動控制技術應用于測量設備，產生了數控工作臺。數控工作臺是利用運動控制系統控制工作臺的運動機構動作，以運動到需要的位置，大大提高了工件測量的效率。
　UML[1]是一種可用于大型系統建模的統一建模語言, 它不僅支持面向對象的分析和設計, 還支持軟件開發過程,利用不同的模型來描述一個應用系統在不同生命周期中的各種靜態結構方面和動態行為方面的特征, 為任何具有靜態結構和動態行為的系統建模，同時提供模型擴展和管理等方面的支持。
　本文針對數控工作臺的功能特點，以自主開發的基于HCS08運動控制系統為平臺，并以UML為工具，設計相應的軟件，滿足實際生產需要。
1 數控工作臺控制原理
　工作臺運動系統主要由手柄、載物臺等運動機構組成。系統以Freescale HCS08型單片機為核心的運動控制器作為下位機，通過控制伺服電機驅動器來實現對載物臺上下、左右、前后運動的控制，以PC作為上位機來實現調速、自動校零、自動找零、位置顯示等。
　上下位機通過串口進行數據傳輸。工作臺工作時，用戶將測量工件（如絲桿）放在載物臺上，通過操作手柄讓載物臺走到測量范圍內，通過手柄的高低速按鍵控制電機的高速或低速運動，方便測量時的粗調和微調。
2 數控工作臺功能分析
　本文的主要任務是根據用戶對系統功能需求進行分析，通過對整個系統框架進行構造和實現下位機軟件設計與建模。下位機是整個系統的中間層，主要功能是根據接收的數據和指令控制工作臺運動。通過上位機界面可以設定各軸的速度和電機轉動方向，以及實時位置顯示、零點位置顯示等，具體可為自動找零、校零、手動操作、伺服報警信號等。
　對于下位機，參與者包括用戶、上位機、限位開關、手柄、伺服電機。用戶除了可以通過上位機軟件顯示零點位置、實時位置之外，還可以通過調速界面調整伺服電機轉速和方向，故下位機的用戶用例為手柄控制。上位機和下位機的連接是系統的關鍵部分，是整個系統正常運轉的通道。伺服電機是動作的執行者，根據下位機的指令進行動作，其用例主要是高低速度控制。限位開關的用例主要包括I/O信號、限位、故障報警。
　根據上面的用例分析，使用UML構造下位機的用例圖[6]，如圖1所示。

3 下位機軟件結構
3.1下位機軟件狀態模型
　通過對數控工作臺下位機用例圖的分析可以將下位機軟件按狀態分為幾個模塊：自動找零點狀態、手動控制狀態、校零狀態、故障狀態等。采用UML狀態圖可以將參與交互的模塊及模塊之間的消息交互表示清楚，可以比較直觀、高效地建立軟件的狀態模型。建模如圖2所示。

　系統進入工作狀態時首先進入自動找零狀態。在自動找零狀態下,下位機主程序讀取Flash存儲[3]的信息，對3個軸的電機按照先Z軸找零,再X軸、Y軸同時找零的順序發脈沖，使工作臺運動到工作起點位置。
　一旦自動找零完成之后，系統狀態就會自動轉移到手動控制狀態中去。例如通過手柄控制讓電機走到某個位置，同時通過手柄上的高低速切換按鍵讓工作臺實現高或低速運動。
　校零是設定當前的位置為零點位置，通過上位機操作將數據寫入Flash中，在下次上電工作時工作臺會在自動找零時，自動運行到這個設定的零點位置。由圖2可以清楚地看到,整個狀態模型可以分為4個部分：自動找零狀態、手動控制狀態（包括高低速轉換、三軸電機運動的方向）、校零狀態和故障狀態。其中故障狀態可以與其他的狀態根據轉移條件發生狀態轉移，而手動控制狀態只能與校零狀態和故障狀態根據轉移條件發生狀態轉移，其內部各個狀態之間不能發生狀態轉移，這是由工作臺的工作特性所決定的。從上電開始工作，在同一時間內只允許進行一種活動，只有在當前活動結束后才允許進行其他的活動，這種工作臺的工作特性就可以用UML狀態圖[6]清晰地表現出來，使得任何人都能對系統軟件模型有比較直觀的認識。
   根據狀態來劃分整個系統軟件結構[2]，可以有效地對系統工作進行掌控，防止軟件功能互相耦合而引起邏輯混亂。簡單來說，當系統正處在手動控制中，如果此時收到校零指令，系統就可以根據當前狀態轉移條件轉移到校零狀態，工作臺會按順序依次走到各軸的兩端限位位置，將兩端限位之間的距離保存到Flash中以便下次讀取，這樣就提高了系統的穩定性和可靠性。
3.2 下位機軟件算法活動模型
   鑒于數控工作臺在日常生產中對于控制的要求，以及Freescale HCS08的特點，在設計軟件算法程序時，對電機發脈沖采用PWM重載中斷的方式,這樣極大地發揮了芯片的性能，并且提高了程序的可靠性。下面采用UML活動圖將主循環流程按照時間的順序展開，如圖3所示。

   從圖3中能夠清楚地看到下位機程序就是一直循環采集和事件處理的過程。系統一上電首先對硬件模塊和軟件功能進行初始化設置，保證程序處在可運行狀態。然后程序進入主循環，先進行事件采集，包括讀寫Flash、串口數據接收、限位傳感器輸入信號以及伺服報警信號采集。如果沒有事件發生，則程序一直處于事件采集狀態；如果有事件發生，則對采集到的事件進行分析決策。事件決策則是對當前系統狀態進行判斷和轉移，決定哪些事件可以被執行。最后事件分配和事件處理則是將被允許執行的事件分配給相關的執行函數，調用相關函數來對事件進行處理，完成后返回到主循環開始，而程序也因此周而復始地一直執行下去。
　由此可以看出，在程序中事件按從總體到個別的順序被執行，每一步都有明確的目的性和層次性，條理清晰，邏輯清楚，這樣就使得程序在編制和維護時簡單易行。
　由于下位機采用的Freescale HCS08型單片機作為控制系統核心，其運算處理速度能達到每秒20 M條指令，這樣就使得下位機程序對外部事件有了較高的響應速度和處理速度，其實時性可以比較好地滿足數控工作臺的應用需求。
3.3 下位機軟件通信模塊設計
   Freescale HCS08單片機采用異步通信RS-232作為串行通信協議,其適用于設備之間的通信距離不大于15 m、傳輸速度最大為20 KB/s的數據傳輸領域。本系統采用標準不歸零NRZ（Non Return to Zero）的數據格式進行數據交互。
    本文介紹了數控工作臺下位機程序設計與建模，分析和構建了下位機軟件的主要功能、實現方式和軟件算法，并通過UML圖分別展示了下位機供需用例圖、軟件狀態模型和主循環活動模型。使用UML圖進行軟件設計使得軟件層次更加清晰，結構嚴謹，可維護性強，充分體現出UML圖[7]在面向對象的軟件編程中起到的重要作用。同時,本文所敘述的軟件設計與建模的方法, 對其他下位機的軟件開發也有很好的借鑒作用。
參考文獻
[1]   BERGENTI F, POGGI A. Supporting agent-oriented modelling with UML [J]. International Journal of Software  Engineer and Knowledge Engineering,2002,12(6):605-618.
[2]   LUCKHAM D C, VERA J. An event-based architecture  definition language[J]. IEEE Transactions on Software  Engineering, 1996,21(9):717-734.
[3]   余永權.89系列Flash單片機原理及應用[M].北京：電子工業出版社，1997.
[4]   葉旺勝，王宜懷，劉曉升. HCS08 MCU背景調試技術的研究與底層設計[J].軍民兩用技術與產品，2007(4)：39-40,46.
[5]   余翔, 吳友宇.基于89S51單片機的微型熱敏打印機軟件設計[J]. 微計算機信息,2007,1(2):12-2.
[6]   Hans-Erik Eriksson, Magnus Penker著.UML工具箱[M]. 俞俊平,余安萍,徐敏,等，譯. 北京：電子工業出版社, 2004.
[7] GOMAA H著. 用UML設計并發、分布式、實時應用[M].呂慶中，李燁，羅方斌,譯.北京：北京航空航天大
    學出版社，2004.