关键字：UML, 建模, 测控系统
ZHANG Hui, ZHAI Hongsheng
Abstract: With the development of automation control system, the control systems based on sensors have been paid more attentions. On the basis of the analysis of definition and function requirement of sensor control systems, we used the UML to establish a model for the multi-purposes sensor control system, and describe the requirements of users in the system. We also analyzed the system structure of the control system, and proposed a design scheme for the circuit.
Keywords: UML; Modeling; Control and Measuring System.
1 引言
智能化传感器是一种带嵌入式微处理器的传感器,是嵌入式微处理器,智能理论和传感器相结合而成的传感器测控系统,兼有检测、判断、网络、通信和信息处理等功能,与传统的传感器相比有很多特点:具有思维、判断和信息处理功能,能对测量值进行修正、误差补偿,可提高测量精度;具有知识,可多传感器参数进行测量综合处理;根据需要可进行自诊断和自校准,提高数据的可靠性;对测量数据进行存取使用方便;有数据通信接口,能与微型计算机直接通信,实现远程控制;可在网上传送数据实现全球监测控制;可实现无线传输。
2 传感器功能分析
传感器测控系统的特点可以定义其基本功能为:
1.复合敏感功能————智能传感器测控系统具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较全面反映物质运动规律的信息。
2.自补偿和计算功能————只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较精确的测量结果。
3.自检、自校、自诊断功能————采用智能传感器测控系统,首先自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。
4.信息存储和传输————传感器测控系统通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。
3 传感器系统用例分析
用例建模是UML建模的一部分,也是UML里最基础的部分。用例建模的最主要功能就是用来表达系统的功能性需求或行为。可以确定传感器在整个控制系统中的位置和相互关系如图1所示。
图1传感器与外界关系图
由此,可以定义传感器测控系统的用户。
操作者:操作者建立传感器与系统连接,上电启动传感器与系统,传感器通过通讯网络寻找控制器,由控制器确定自己身份等设定参数。用户也可以通过控制器设定特定传感器的参数。
检测参数:即传感器检测物理量的参数变化,检测参数变化将引起传感器检测数据的变化,传感器测控系统将对检测数据进行转换、处理、存储,在建立与控制器通讯的基础上,进行数据传输。此外,传感器测控系统需要完成底层控制任务,需要接受控制器发送的指令和数据,即在控制器指令下,完成控制器发送数据、指令的接收、存储和执行。
关联传感器:任何一个智能传感器都可能是一个传感器网络（目前最常见是通过各种现场总线）相连接,传感器之间可能存在通讯,智能传感器可以对关联传感器发送的数据做出响应,或者对数据进行存储,或者发送控制指令,或者修改自身某设定参数。
控制器:在系统初始化过程中,根据传感器发送请求,分配身份识别ID,设定相关参数;根据传感器发送检测数据,确定控制参数和控制指令,发送给指定传感器。
驱动器:接受传感器测控系统发出的控制指令,实施驱动。
由此可以确定传感器测控系统用例图如图2所示。
图2传感器测控系统用例图
每一个用例中,都涉及到用户与传感器系统、传感器系统与周边设备的信息交互,交互是协作中的一个消息集合,这些消息被类元角色通过关联角色交换。当协作在运行时,受类元角色约束的对象通过受关联角色约束的连接交换消息实例。交互作用可对操作的执行、用例或其他行为实体建模。
消息是两个对象之间的单路通信,从发送者到接收者的控制信息流。消息具有用于在对象间传值的参数。消息可以是信号（一种明确的、命名的、对象间的异步通信）或调用（具有返回控制机制的操作的同步调用）。
创建一个新的对象在模型中被表达成一个事件,这个事件由创建对象所引起并由对象所在的类本身所接受。创建事件,作为从顶层初始状态出发的转换的当前事件。对于新实例是可行的。
消息可以被组织成顺序的控制线程。分离的线程代表并发的几个消息集合。线程间的同步通过不同线程间消息的约束建模。同步结构能够对分叉控制、结合控制和分支控制建模。
消息序列可以用两种图来表示:顺序图（突出消息的时间顺序）和协作图（突出交换消息的对象间的关系）。表示系统需求,通常都使用顺序图描述系统信息交互。
顺序图将交互关系表示为一个二维图。纵向是时间轴,时间沿竖线向下延伸。横向轴代表了在协作中各独立对象的类元角色。类元角色用生命线表示。当对象存在时,角色用一条虚线表示,当对象的过程处于激活状态时,生命线是一个双道线。
4 传感器测控系统硬件结构设计
4.1传感器系统的构成
根据上一章对传感器系统的功能和用例分析,可以确定传感器测控系统的模块结构,在rational rose中定义出传感器系统的部件图如图3所示
图3 传感器测控系统部件图
传感器测控系统模块主要包括:信号调理模块、多通道数据采集模块、A/D转换模块,数据存储模块、数据编码模块、数据传输模块、控制决策模块、数据处理模块、驱动模块及状态显示模块等部分。所有的控制逻辑和数据计算全部由主控制器的软件实现。
在传感器测控系统的模块结构中,信号调理模块、A/D转换模块、数据存储模块、数据编码模块、数据传输模块、状态显示模块、驱动模块都需要系统硬件提供支撑,因此,可以确定传感器系统硬件体系结构如图4所示。
图4传感器系统模块结构图
4.2硬件设计
传感器系统因为需要作为现场数据采集的基本单元,需要具备体积小、低功耗、低成本、高性能;可以实现网上控制,在硬件电路选择上应区别于普通的嵌入式系统。
4.2.1 基础单片机系统设计
微处理单元是传感器测控系统的核心,主要完成信号数据的采集、处理（如数字滤波、非线性补偿、自诊断）和数据输出调度（包括数据通信和控制量本地输出）等工作。从智能传感器高可靠性、低功耗、低成本和微体积等特点出发,嵌入式微处理器系统是最佳选择。
4.2.2信号调理电路设计
数据采集系统的设计过程中,输入数据采集系统的电信号与ADC的输入范围并不一定匹配,因而,一般不直接送入ADC进行转换,必需对输入的信号进行信号调理,经过信号调理后的模拟信号符合ADC的要求。
4.2.3 A/D转换电路选择
模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。A/D转换器的选择是至关重要的。所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示,并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口。
4.2.4 D/A转换电路选择
D/A转换电路的选择主要考虑转换电路的分辨率、准确度、线性度,首先分析分辨率与线性误差的关系。根据分辨率的定义,位数越多,分辨率越高。
4.2.5 传感器的通信电路设计
一般的智能传感器都具有双向通信功能,即智能传感器之间,智能传感器与控制器之间都存在数据传输,控制器不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。
5 小结
虽然智传感器测控系统的研究和开发己取得一定的成果,但还远远不能满足生产实践发展的迫切需求,本课题对智能传感器系统进行了设计,在详细分析传感器测控系统的定义和功能需求的基础上,利用UML统一建模语言建立了传感器系统的需求模型,使用用例图对传感器系统的各种用户需求进行描述,使用顺序图详细描述了每个用例的参与者和信息传递过程。以此为基础,对传感器系统的结构进行了描述,使用协作图对系统各个功能模块之间的信息传递和协作关系进行了分析。并且分别对传感器系统中的硬件模块提出了设计思路。
本文作者创新点:
本文讨论了传感器测控系统的硬件框架,在对传感器系统功能和用例分析的基础上,建立了系统的物理视图。针对系统部件图中描述的硬件结构,对传感器测控系统各主要部件的设计要求作了讨论,
参考文献:
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