Система автоматической генерации программного обеспечения для микропроцессорных систем реального времени

Появление на Российском рынке надежных и устойчивых к неблагоприятным условиям эксплуатации универсальных одноплатных и модульных контроллеров с различной степенью вычислительных возможностей, стоимости, разнообразия архитектур и устройств ввода-вывода [10] стимулировало разработки и внедрение этих средств в область создания систем управления сложными электромеханическими объектами и системами (ЭМО, ЭМС). К таким объектам можно отнести электроприводы (ЭП) производственных машин и транспортных средств, для управления которыми традиционно применялись аналоговые и цифро-аналоговые системы автоматического управления (СЛУ) и регулирования (САР).

Возрастающая сложность самих объектов управления и задач, для решения которых они создаются, требует от микропроцессорных систем высоких показателей качества регулирования (скорости, положения, .), надежности, гибкости в перенастройке алгоритмов управления. Это в свою очередь приводит к создаиию новых алгоритмов управления [50,89]. Как правило, эти алгоритмы являются нелинейными, требуют высокой вычислительной мощности процессоров и значительного времени па разработку, тестирование и отладку управляющего программного обеспечения (УпрПО). Особую актуальность эта задача приобретает при создании систем управления тяговым электроприводом (ТЭП), характеризующихся высокой сложностью алгоритмов управления: большим количеством режимов работы, нелинейным и нестационарным характером объекта управления, преимущественным использованием адаптивного управления.

Теперь проектировщики систем автоматического управления вместо этапа конструирования (выбора унифицированных цифровых или аналоговых элементов или разработки уникальных) решают задачи, связанные с выбором состава и структуры вычислительной аппаратуры и ее сопряжением с объектом управления, а также созданием эффективного и надежного программного обеспечения [50]. И если первая группа задач может быть достаточно успешно решена па основе анализа характеристик, стоимости, условий эксплуатации, вычислительной мощности выбираемой аппаратуры, то вторая, связанная с созданием специализированного ПО, далеко не тривиальна. Создание качественного программного обеспечения напрямую влияет на сроки разработки системы управления в целом и часто ставит проект в прямую зависимость от профаммистов, их квалификации, знакомства с особенностями конкретной аппаратуры и ее базового программного обеспечения.

Разработка УпрПО может вестись разными средствами. Каждый производитель аппаратуры, как правило, сопровождает свою продукцию набором средств отладки и профаммировапия на своем Ассемблере [88]. Программы, написанные высококвалифицированным профаммистом для конкретной системы па этом языке, будут самыми эффективными и компактными, но это далеко не самый лучший выход для реализации сложных проектов. В последнее время все большую популярность завоевывают интегрированные среды разработки (Integrate Development Environment — IDE), ориентированные на поддержку как символических языков программирования для конкретного процессора, так и языков высокого уровня типа С, Pascal, Basic [67]. И все же время, затрачиваемое на разработку, отладку, интеграцию с подсистемами верхнего уровня может свести на нет преимущества эффективности и сделать такое ПО «золотым» в смысле вложенных в него средств. А самое главное — из процесса создания системы управления практически исключаются его авторы, не имеющие серьезной подготовки в области профаммирова-ния, вынужденные наблюдать за неясными «манипуляциями» программистов, в творении которых могут разобраться только сами авторы. Эта проблема появляется при создании микропроцессорных систем управления, изменении конфигурации их аппаратных средств, при модификации алгоритмов управления существующих систем. Так, в области проектирования ТЭП в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения» (ВЭлНИИ) г. Иовочеркасска накоплен многолетний ценный опыт разработки схемных и алгоритмических решений. Хорошо зарекомендовавшие себя аппаратные СЛУ, характеризующиеся высокой сложностью и разнообразием процедур управления, пионерским характером исполнительных устройств и преобразующей аппаратуры требуют сохранения и переноса на новую технологическую платформу — микропроцессоров и микроконтроллеров [39].

Выходом в сложившейся ситуации может служить использование средств автоматической генерации программного обеспечения на основе визуального представления алгоритмов управления, реализуемых проектируемыми САУ и САР. При использовании автоматической генерации программ повышается качество ПО [93,95], сокращаются сроки его разработки и отладки. Генераторы кода позволяют получать программы, семантически эквивалентные высокоуровневым визуальным спецификациям1, не внося при этом ошибок (не считая логических ошибок самой спецификации), чего практически невозможно добиться при ручном кодировании. По оценкам специалистов [30] использование средств автоматической генерации УпрПО позволяет сократить сроки разработки различных программных систем в 4−5 раз. Генераторы кода берут на себя основную часть рутинной работы по преобразованию попятных для восприятия специалистом графических схем и диаграмм в низкоуровневое профаммиое представление на целевых языках конкретных контроллеров. Причем доля программного кода, непосредственно реализующего алгоритм управления, по разным оценкам составляет от 15 до 30% [88] от общего размера программных систем. Остальная часть приходится на взаимодействие с аппаратурой, обращение к сервису операционной системы, сетевые взаимодействия, контроль входных данных и т. п. В таких условиях использование систем автоматической генерации рабочих программных модулей представляется весьма актуальным решением.

Спецификация — один in основных доку vicmjok технико-конструкторской документации на ичде-лис (в т.ч. на программу), содержащий обычно и форме таблицы перечень и параметры его составных частей |70).

Конкретные решения по генерации кола, но высокоуровневым графическим моделям систем управления предлагаются в рамках SCADA2- и CASK средств, а подобное программирование получило название визуального (ipa-фического, компонентного, функционально-блочного) [50,56,67]. Эти средства отличаются областями применения. SCADA ориентированы на разработку УпрПО систем, строящихся па принципах диспетчерского управления в промышленности, энергетике, на транспорте, в космической и военной областях, в различных государственных структурах. На нижнем уровне управления (уровне контроллеров) в SCADA предусмотрены, как правило, формализованные средства сбора первичной информации и ее обработка, либо управление относительно несложными машинами и аппаратами технологических процессов [1]. На последующих уровнях — визуализация процессов и регистрация информации, поступающая с нижних уровней, коммуникация с внешним миром.

Использование SCADA для реализации встраиваемого УпрПО в системах реального времени обладает двумя важными недостатками. Во-первых, достаточно высокой стоимостью, т.к. они поддерживают весь цикл работ по автоматизации сложных иерархических объектов, каковыми являются вышеуказанные системы. И даже появление micro-SCADA, имеющих узкую отраслевую ориентацию, не окупит затрат па их приобретение (тысячи $). Во-вторых, даже если SCADA имеет средства развитые средства низкоуровневого программирования, для обычного проектировщика ЭМС среда разработки, ориентированная на технологов, может оказаться не столь простой в изучении.

CASE-средства гораздо лучше, чем SCADA, ориентированны на разработку ПО как для локальных, так и для распределенных систем управления электромеханическими объектами. В качестве аппаратной платформы могут Supervisory' Control And Data Acquisition — Диспс I’icpcKoc управление и сбор данных.

3 Computer Aided Software F. n"enccrin" - Машинпо-ориепгиропапная техмолшия создания программ мою обеспечения выступать контроллеры, работающие как под управлением операционных систем (OS-9, VxWorks, DOS, Windows NT, QNX и т. д.), так и без них. Объектами автоматизации могут выступать как отдельные подсистемы АСУ ТГ1, не связанные с процессами визуализации данных и характеризующиеся высокой сложностью алгоритмов управления, так и отдельные ЭМС, функционирующие в условиях жесткого реального времени (время выработки управляющих воздействий не превышает 10 мс).

Следует отметить удобства процедуры разработки УпрПО как в CASE-, так и в SCADA-средах: стандартный графический интерфейс (GUI — Graphic User Interface), наличие средств отладки и загрузки программных модулей, средств визуального отображения результатов работы и их анализа, средств документирования программных модулей.

Далее, говоря о средствах автоматизации проектирования сложных систем, нельзя не отметить наличие современных программных комплексов моделирования технических систем, позволяющих при заданных критериях оптимизации автоматически генерировать систему уравнений, описывающую проектируемый объект или его систему управления и отвечающую экстремуму соответствующей функции цели [36]. Непосредственное применение результатов подобных инструментов, работающих с визуальным представлением моделируемых объектов, позволит упростить процесс перехода от ее структурного и функционального представления к представлению в виде управляющих программных модулей.

Как будет показано ниже, попытки применить любое из упомянутых инструментальных средств генерации программных кодов непосредственно для получения программного обеспечения систем управления конкретного класса (СУ ТЭП), наталкивается на ряд трудностей, делающих это применение либо практически невозможным, либо проблематичным. Как следствие, задача создания некоторого аппарата, лишенного недостатков, присущих вышеперечисленным средствам представляется актуальной.

Выводы по четвертой главе.

В главе рассмотрены способы реализации управляющего программного обеспечения на основе классических численных методов и их объектной интерпретации. Проведено сравнение результатов, полученных при использовании указанных способов, которое подтверждает правильность предлагаемого объектного решения. Проведено сравнение результатов работы моделей двигателей и электроприводов в среде MATLAB и эквивалентных им программных модулей системы Electron, реализующих различные методы интегрирования в функциях динамических блоков. Для каждой модели приведены ее внутреннее символьное и графовое представление, которое формируется транслятором ЯСС и служит основой для построения эквивалентных программных модулей. В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Реализация алгоритма управления в форме взаимодействующих объектов не требует решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, однако позволяет достичь результатов, сравнимых с результатами традиционных численных методов.

2. Повышение точности вычисления выходных управляющих воздействий может быть достигнуто как за счет уменьшения шага интегрирования, так и за счет увеличения числа проходов в основном цикле управляющего алгоритма.

3. Погрешность расчета выходных значений программных модулей, ci eнерированных системой Ыес^оп относительно результатов моделирования двигателей и электроприводов в среде ЯнтшИпк (МАТЬАВ), не превышает 8% на участках с максимальной крутизной, соответствующих переходным процессам. В установившихся режимах ошибка практически равна нулю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Представленная диссертационная работа является составной частью комплекса исследований кафедры ЭВМ ЮРГТУ (ППИ) по технологиям программирования промышленных контроллеров в рамках договора о научном сотрудничестве с отделом КОЭСУ ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-копструкторский институт электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ») от 11.02.1997 г. Работа посвящена разработке инструментального программного средства, которое позволяет решать задачу автоматической генерации УпрПО па основе визуальных моделей, представленных структурными и функциональными схемами САУ и САР. В отличие от существующих систем генерации программного кода по визуальному представлению алгоритмов управления с применением графических языков программирования стандарта 1131−3 представленная система позволяет использовать в качестве исходной спецификации структурные схемы с рассчитанными параметрами входящих в нее блоков. Это является следующим шагом в повышении уровня абстракции: переходе от абстракции данных, абстракции элементарного функционального действия и абстракции процесса к абстракциям структуры, параметров и свойств проектируемой САУ.

Для формирования управляющего алгоритма предлагается путь, не требующий составления уравнений относительно характеристик системы, применяющийся в большинстве систем программного моделирования. Он предполагает формализацию процессов функционирования элементов системы как объектов, заведомо более простых, каждый из которых может обладать своим внутренним состоянием, а также средства распознавания сложных циклических структур, включающих эти элементы и преобразующих циклические структуры в линейные алгоритмы в соответствии с последовательной архитектурой микропроцессоров.

Реализация среды программирования осуществлена в дружелюбном Win-dows-интерфейсе, позволяющем решать задачи:

— ввода и редактирования исходных структурных и функциональных схем САУ и САР;

— настройки опций системы и настройки на конкретный тин контроллера;

— задания тина, характеристик и параметров генерируемого программного модуля (или используемых по умолчанию);

— организации библиотек пользовательских блоков, схем и проектов;

— анализа графиков переходных процессов па основе синхронизирующих сигналов и подбора параметров блоков для осуществления требуемых режимов регулирования.

Определен состав и проведена классификация базовых блоков структурных схем, традиционно использующихся при автоматизации электроподвижного состава. Определены механизмы создания пользовательских блоков. На основе экспериментальных данных, полученных при выполнении функций базовых блоков на различных типах процессоров, реализован механизм определения фактического времени работы основного цикла программного модуля, что позволяет разработчику принимать оперативные решения при достижении порогового времени выработки управляющих воздействий. Предусмотрена возможность входа в систему на структурно-параметрическом уровне представления системы без визуального отображения схемы и без проведения операций редактирования. Это позволит использовать систему в качестве оперативной подсистемы, осуществляющей трансляцию управляющих алгоритмов в соответствии с параметризованными командами интеллектуальной системы верхнего уровня.

2. Локализация аппаратно зависимых частей генерируемого УпрПО и настройка системы па определенный тип контроллера и (при необходимости) модули ввода-вывода осуществляется па основе спроектированной структуры классов аппаратных средств, объекты которых являются певизуальными компонентами структурной схемы. Система, переданная Заказчику, ориентирована на использование контроллеров фирмы Octagon System (8025, 8025А) и микроконтроллеров семейства МК-51 (ADuC-812). Проектные решения, принятые для привязки управляющего ПО к вычислительным средствам позволяют свободно расширять номенклатуру используемых контроллеров.

3. При разработке входного языка инструментальной системы были рассмотрены вопросы связанные с переходом от избыточного объектного представления основных элементов структурных схем к:

— литеральному (текстовому) представлению, позволяющему эффективно решать задачи лексического, синтаксического и семантического анализа исходной графической профаммы,.

— графовому представлению для реализации топологического анализа исходной графической программы и преобразования циклической и структуры в линейный граф управляющего алгоритма.

Сформулированные правила построения синтаксически корректных структурных схем положены в основу контекстно-независимой порождающей грамматики ЯСС и построенного па се основе двустороннего детерминированного распознавателя с офаниченным объемом внутренней памяти. Особенностью грамматики языка является наличие условий применимости ее правил и построение выходной цепочки символов, соответствующей целевому символу грамматики при условии полного очищения (0) исходных и вспомогательных множеств.

Трудоемкие алгоритмы топологического анализа, связанные с реализацией поисковых задач на графах были реализованы па языке профаммирова-ния Турбо-Пролог, что позволило значительно сократить объем исходного кода транслятора, используя встроенные возможности языка.

Графовая модель структурной схемы, реализованная списками смежно-стей, определяет фаф с взвешенными вершинами, характеристики которых позволяют успешно решать задачи определения типов контуров, поиска определяющих блоков, преобразования алгебраических контуров. Добавление к каждой вершине списка параметров блока и их значений позволит решать задачу оперативной трансляции в рамках системы верхнего уровня, упомянутую в п. 1 Заключения.

В случае обнаружения контуров, не имеющих динамических блоков, являющихся первоочередными при построении [.-графа управляющего алгоритма, предлагается решение, заключающееся в формальном преобразовании функций блоков, входящих в прямую и обратную цепь контура. Результатом преобразований является новый блок со своим набором параметров, позволяющий по входному сигналу получить выходной сигнал без использования итерационных вычислений. Предложенный способ может быть распространен на блоки, реализующие кусочно-линейные функции, причем функция блока прямой цепи (/)и функция, полученная в результате сложения / с функцией блока в обратной связи {у/) должны удовлетворять условиям монотонности, что обеспечит существование однозначной обратной функции, а значит и возможность преобразований.

4. В работе сформулирована и доказана теорема о возможности преобразования структурных схем произвольной топологии в функционально-эквивалентную линейную структуру Ь-граф. Сформулированы его свойства и приведены примеры построения для схем, имеющих пересекающиеся контуры. Доказательство теоремы осуществляется на основе доказательства вспомогательных утверждений — лемм №№ 1−3, в которых рассмотрены все возможные случаи, встречающиеся при построении исходных структурных схем.

Для сокращения объема и уменьшения времени выработки управляющих воздействий программного модуля в состав транслятора ЯСС включена подсистема структурной оптимизации, позволяющая осуществить объединение ряда блоков исходной схемы по правилам 'ГАУ, связанным с преобразованием структурных схем. Подобные преобразования не затрагивают визуальное представление исходной схемы, а осуществляются на основе преобразований, проводимых над элементами списка-копии визуальных объектов.

Генерация результирующего программного модуля осуществляется в соответствии с критериями максимального быстродействия или минимального объема. Управляющий алгоритм реализован в виде бесконечного цикла, состоящего из трех основных этапов: чтения входных сигналов, вычисления выходных сигналов и передачи рассчитанных значений в порты аппаратуры. Работа модуля может синхронизироваться с таймером через механизм прерываний или путем опроса счетчика таймера после третьей фазы алгоритма.

5. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: II, 111 Международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 1996, 98 гг.), XV и XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г., Ростов-на-Дону 2003 г.), Международной конференции «Искусственные интеллектуальные системы и интеллектуальные САПР» IEEE AIS'02 CAD (Таганрог, 2002 г.), ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) (1997;2003 гг.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, из них 1 статья на депонирование, 1 методические указания к выполнению лабораторных работ, 2 тезиса к докладам. Три работы опубликованы автором самостоятельно, две — в соавторстве со студентами, остальные работы (10) — в соавторстве с научным руководителем, специалистами ОАО «ВЭлНИИ» и сотрудниками кафедры ЭВМ IOPIT’У (НПИ).

В работах [79,75,42,80] описаны проблемы, связанные с автоматизацией процесса создания УпрПО микропроцессорных систем реального времени, сформулированы требования к инструментальным системам, основным на визуальном представлении алгоритмов управления и визуальном представлении структуры и параметров проектируемой системы, сформулированы состав и назначение основных подсистем. В [78,81] проанализированы проблемы и предложены алгоритмы процедур топологического анализа циклических структурных схем, реализующих управление па основе обратных связей, определен состав и проведена классификация базовых функциональных блоков, представлены алгоритмы генерации программных модулей, функционирующих в потактовом режиме. В [41] описаны алгоритмы подсистемы топологического анализа, реализованные па основе фафового представления структурной схемы с использованием языка Турбо-Пролог. Работы [76,77,82] посвящены вопросам организации адаптивных, реконфигурируемых систем управления, рассмотрена возможность включения системы Electron в состав интеллектуальной системы, реализующей параметрическую и структурную оптимизацию алгоритмов управления сложными техническими объектами, определены уровни взаимодействия указанных систем, форматы данных, соответствующих уровню обмена, возможности пейросетевого расширения при реализации адаптивных алгоритмов управления. Работа [44] содержит описание процедуры создания и отладки профамм в инструментальной системе Electron, общие способы и правила конфигурирования контроллеров, работа [43] ориентирована на особенности конфигурирования и использования одноплатных модульных контроллеров семейства МК-51. В [47] рассмотрены вопросы, связанные с подходом к реализации транслятора ЯСС, представлены форматы внутреннего представления исходной графической ирофаммы, использующиеся на этапах синтаксического семантического и топологического анализа. В [32] рассмотрены вопросы, связанные с реализацией автоматического сворачивания алгебраических контуров. Работа [45] содержит методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Микропроцессоры и микропроцессорные системы» для студентов специальности 220 100. Выполнение лабораторных работ предусматривает знакомство с высокоуровневым технологическим языком программирования контроллеров ЯСС, создание и отладку программ для микроконтроллера ADuC-812 семейства MSC-51 по структурным схемам аналоговых и цифровых регуляторов, исследование структуры генерируемых программного ПО.

Оформлено две заявки на свидетельство о регистрации программ: 1. Тушканов Н. Б., Кузнецова А. В. и др. Интерактивная система генерации профаммного обеспечения для микропроцессорных систем управления тяговым электроприводом электровоза (Electron). — Свидетельство об официальной регистрации профамм для ЭВМ № 2 000 611 162 от 8.11.2000 г.

2. Кузнецова A.B. Отыскание множества контуров в ориентированном графе («Контуры орграфа»). Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2 003 611 750 от 23.07.2003 г.

Инструментальная система отмечена дипломом всероссийской выставки «Инновационные разработки ЮРГТУ (НПИ)» 2003 г.

С помощью этой системы Electron было создано УпрПО микропроцессорных контроллеров фирмы Octagon System системы управления электроприводом и электрическими устройствами электровозов ЭП1 и НП1, а в настоящее время она используется для создания ПО периферийных контроллеров семейства МК-51 систем управления тяговыми асинхронными двигателями. Инструментальная система используется в учебном процессе в лабораторном практикуме курса «Микропроцессорные системы» для визуального программирования IBM PC-совместимых контроллеров Micro-PC и однокристальных контроллеров семейства МК-51.

Выполнение вышеуказанной работы потребовало определенных теоретических изысканий, давших возможность говорить о научной новизне в части: разработки концепции построения интегрированной инструментальной системы автоматической генерации УпрПО;

— разработки языка для формального описания функциональных и структурных схем и построения транслятора для генерации программного кода микропроцессорных систем управленияпредложения способа преобразования алгебраических контуров, включающих нелинейности, в единый блок и автоматической реализации его функции;

— разработки алгоритмов структурной оптимизации программ на языке ЯСС по правилам преобразования схем в ТАУ.

Можно уверенно говорить о том, что полученные в ходе данной работы результаты значительно шире, чем просто инструментальное средство для генерации программного обеспечения по управлению приводом электровоза. Основанием к этому служит подготовленная па настоящий момент теоретическая база в части: возможности использования программного комплекса Electron в качестве подсистемы сложной интеллектуальной системы, верхнего интеллектуального уровня управления сложными техническими объектами- - генерации управляющего программного обеспечения в форме пейросете-вых решений для реализации интеллектуальных СЛУ и СЛР.