Автор: Катков Алексей Николаевич

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №8 (31) август 2011 г.

Статья просмотрена: 203 раза

Библиографическое описание:

Катков А. Н. Проектирование и документирование встроенного программного обеспечения вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления // Молодой ученый. — 2011. — №8. Т.1. — С. 61-63. — URL https://moluch.ru/archive/31/3560/ (дата обращения: 16.12.2017).

Введение. Современные вторичные преобразователи представляют собой весьма сложные измерительно-вычислительные устройства, развивающиеся на стыке измерительной и вычислительной техники, где идет процесс интеграции средств получения измерительной информации и средств ее обработки [1, 2]. При разработке вторичных преобразователей требуется не только сбалансированно распределять функции между аппаратными и программными средствами [3, 4], но и учитывать разнообразные, нередко противоречивые нефункциональные требования [5].

Алгоритмы цифровой обработки измерительных сигналов, применяемые для повышения метрологических характеристик датчиков физических величин, реализуются во встроенном программном обеспечении (ВПО) цифровых вторичных преобразователей. При разработке вторичных преобразователей возникает задача проектирования и документирования ВПО. Тщательно выполненное проектирование значительно снижает количество ошибок при реализации и длительность отладки. Документирование ВПО необходимо для облегчения последующих модификаций и повторного использования отдельных модулей и подпрограмм в дальнейшем в составе ВПО других преобразователей.

Проектирование. Проектирование ВПО начинается после построения математической модели измерительных сигналов, алгоритма коррекции погрешностей, разработки структурно-функциональной модели, структурно-временной диаграммы и функциональной схемы вторичного преобразователя [6], а также определения протокола информационного взаимодействия, содержащего перечень и форматы команд и ответов на команды. Множество команд определяет функциональность и эксплуатационные характеристики датчика давления с цифровым вторичным преобразователем.

Выполнение команд встроенным программным обеспечением требует реализации довольно сложной логики, которую удобно представлять графом переходов конечного автомата [7, 8]. В работе [9] изложен подход к построению схемы связей, множества состояний и функций переходов и выходов конечного автомата.

После построения конечного автомата реализуются отдельные подпрограммы, такие как драйверы аппаратных узлов, вычислительные функции, подпрограммы выполнения внешних команд. При разработке алгоритмов работы подпрограмм целесообразно использовать диаграммы Насси-Шнайдермана [10]. Их преимущества перед традиционными блок-схемами алгоритмов заключаются в наглядности, компактности, отсутствии соединительных линий со стрелками и простоте восприятия. Кроме того, при наличии многочисленных вложенных ветвлений соответствующая диаграмма Насси-Шнайдермана позволяет наглядно представить все пути в подпрограмме, что упрощает ее отладку и снижает количество ошибок.

При реализации подпрограмм возникает задача распределения переменных (каковые суть именованные совокупности ячеек памяти) в различных областях оперативной памяти, обусловленная особенностями архитектуры используемого микроконтроллера. Так, например, для микроконтроллеров архитектуры MCS-51 для хранения данных, используемых различными подпрограммами, представляется целесообразным использовать глобальные переменные, причем необходимо резервировать место для стека и регистров общего назначения.

Для оптимизации подпрограмм по критерию снижения объема объектного файла наряду с диаграммами Насси-Шнайдермана уместно использовать схему подчинения подпрограмм. Графическое представление подчинения позволяет выявить максимальную длину вызовов подпрограмм и определить требуемый объем памяти для стека (при этом необходимо учесть вызовы библиотечных функций и участков кода, выделенных компилятором при оптимизации).

Реализация. При реализации спроектированного таким образом ВПО целесообразно выделять операционную среду алгоритма коррекции погрешностей [11], которая представляет собой совокупность компонентов ВПО (в том числе аппаратно-зависимых), изолирующую модуль алгоритма от специфики построения аппаратных средств цифрового вторичного преобразователя. Это дает возможность использовать один и тот же модуль алгоритма в различных вторичных преобразователях, предназначенных для одинаковых тензометрических датчиков давления.

Кроме этого, выделение операционной среды влечет за собой два важных следствия. Во-первых, становится возможным выполнение процедуры метрологической аттестации программного модуля, реализующего алгоритм коррекции погрешностей для определенного типа тензометрического датчика давления. Во-вторых, становится возможным выполнение динамической реконфигурации цифровой части и измерительного канала цифровых вторичных преобразователей без изменений ВПО и, следовательно, возможность обеспечения адаптивности структуры цифровых вторичных преобразователей. Однако же, на настоящее время и метрологическая аттестация программного модуля, и адаптивность структуры вторичных преобразователей являются малоизученными вопросами и требуют дальнейших исследований.

Документирование. Документированием ВПО нередко пренебрегают, тогда как это такой же важный этап, как и проектирование. Документация на ВПО представляет собой неотъемлемую часть текстовой документации на цифровой вторичный преобразователь, необходимую в производстве наравне с конструкторской документацией.

При всей сложности проектирования ВПО вторичных преобразователей его итоговый объем (в строках кода и килобайтах объектного файла) как правило, невелик, и в подавляющем большинстве случаев не превышает нескольких единиц тысяч строк и нескольких десятков кб объектного файла.

Прежде всего, следует отметить, что нормативных документов, адекватно оговаривающих состав документации на ВПО, нет. ГОСТы ЕСПД регламентируют только внешнее оформление документации, оставляя содержание на усмотрение и совесть программиста. Частично вопрос документирования ВПО рассмотрен в [12]. Представляется исчерпывающим излагаемый ниже комплект документации, часть которого создается на этапе проектирования ВПО, часть – после реализации и отладки.

Прежде всего, должен быть документ с описанием математической модели измерительных сигналов датчика давления и алгоритма коррекции погрешностей. В конструкторской документации обязательно имеется схема электрическая функциональная (Э2). Один из ее узлов – устройство цифровой обработки сигналов, в простейшем случае – микроконтроллер с цифровым процессорным ядром и периферией. Граница между аппаратной и программной частью проходит через регистры, управляющие периферийными узлами микроконтроллера. Поэтому в программной документации должна быть структурная схема используемой периферии с указанием используемых областей памяти, внешних аналоговых и цифровых цепей и источников прерываний (фактически – подробная структурно-функциональная схема одного блока Э2). Следующий документ – описание конечного автомата (схема связей, множество состояний, граф переходов, функции переходов и выходов). Также необходим документ со схемой подчинения подпрограмм и диаграммами Насси-Шнайдермана алгоритмов работы подпрограмм. Отдельный документ, при тщательной подготовке остальных – носящий скорее справочный характер, – текст ВПО. И последний документ, не имеющий никакого отношения к проектированию и очень важный практически, – описание условий компиляции и загрузки. В этом документе обязательно должны быть указаны: характеристики персонального компьютера, на котором разрабатывалось ВПО (архитектура, вид и версия операционной системы и пакетов обновлений), среда разработки (язык, компилятор, сборщик, их версии, перечислены используемые библиотеки от поставщика микроконтроллеров – названия, версии библиотек и даже размеры и даты создания их файлов), настройки среды разработки (модель памяти, уровень оптимизации кода, настройки эмулятора и т.д.), описание загрузки объектного файла в память программ микроконтроллера с указанием программатора, коммуникационного порта, схемы подключения программатора к микроконтроллеру, ПК и среде разработки, а также описание условий питания программатора и микроконтроллера при загрузке объектного файла.

Делать UML-диаграмму взаимодействия на уровне подпрограмм едва ли оправданно из-за ее неприемлемо большого размера даже для несложного ВПО.

Заключение. Проектирование ВПО цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления – важный практический вопрос, в значительной степени определяющий итоговые метрологические и эксплуатационные характеристики вторичных преобразователей. Рассмотренный в статье подход к проектированию и документированию ВПО неоднократно проверен на практике и доказал свою состоятельность.


Литература:

  1. Финкелстайн Л. Наука об измерениях: анализ состояния и направления развития // Датчики и Системы, №2, 2010, с. 53 – 58.

  2. Катков А.Н., Шахов Э.К. Интеллектуализация измерительных систем. Состояние вопроса // Информационно-измерительная техника : тр. ун-та. Межвуз. сб. науч. тр. / под ред. профессора Е.А. Ломтева. – Вып. 33. – Пенза: ИИЦ ПензГУ, 2008. – 124 с., с. 37-41.

  3. Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катиков В.М. Микропроцессоры в радиотехнических системах / М.: Радио и связь, 1982. – 280 с., ил.

  4. De Micheli G., Gupta R.K. Hardware/Software co-design // Proceedings of IEEE, v. 85, № 3, p. 349 – 365.

  5. Семенов Ю.П. Датчиковая аппаратура в ракетно-космической технике // Приборы и Системы управления, №4, 1990, с. 4.

  6. Катков А.Н. Методика модельно-управляемого проектирования цифровых датчиков / Катков А.Н. / Известия ЮФУ. Технические науки. №5 (118). 2011. - Таганрог. Изд-во ТТИ ЮФУ. - С. 94-99.

  7. Катков А.Н. Применение switch-технологии при разработке встроенного программного обеспечения ДПА / Катков А.Н. //Вычислительные системы и технологии обработки информации: межвуз. сборник науч. трудов. – Вып 8(31). – Пенза: ИИЦ ПензГУ, 2008. – 174 с., с. 118-121.

  8. Катков А.Н. Практика применения switch-технологии при разработке встроенного программного обеспечения ДПА / Катков А.Н. // Вычислительные системы и технологии обработки информации. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 9(32). Изд-во ПГУ, 2010, с. 145-149.

  9. Катков А.Н. Имитационная модель цифрового датчика давления // Молодой Ученый, №6, Т. 1, 2011, с. 58 – 66.

  10. Nassi I., Shneiderman B. Flowchart Techniques for Structured Programming. / SIGPLAN Notices 8, 8, 1973, p. 12 – 26.

  11. Катков А.Н. Операционная среда для встроенного программного обеспечения цифровых датчиков / Датчики и системы: сборник докладов XXIX всеросс. научн.-практ. конф. молодых ученых и специалистов (30-31 марта 2010 г.), Пенза: ОАО «НИИФИ», 2010. – 235 с., с. 91-93.

  12. Катков А.Н. Разработка встроенного программного обеспечения цифрового датчика разности давлений ДРЭ-001 / Катков А.Н. // Компьютерные науки и информационные технологии: Материалы международной научной конференции – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. – 256 с., ил., с. 108-111.

Основные термины (генерируются автоматически): вторичных преобразователей, Катков А.Н, цифровых вторичных преобразователей, тензометрических датчиков давления, вторичных преобразователей тензометрических, преобразователей тензометрических датчиков, коррекции погрешностей, программного обеспечения, объектного файла, алгоритма коррекции погрешностей, разработке вторичных преобразователей, датчика давления, Структуры цифровых вторичных, конечного автомата, обеспечения вторичных преобразователей, алгоритмов работы подпрограмм, измерительных сигналов, структуры вторичных преобразователей, характеристики вторичных преобразователей, подчинения подпрограмм.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос