建模和统一过程在家用电子产品开发中的应用

1建模和统一过程在家用电子产品开发中的应用陈虢引言当前国内家用(HA)电子产品已形成很大的市场规模和极强的创新能力，企业研发部门要面对众多的新产品开发项目，科学的方法和有效的管理就尤为重要。UML建模和统一过程RUP是面向对象思想和方法的两个最重要的成果，在软件密集型系统开发的应用中已证明了其先进性。二者包含的方法、技术和工具也逐步运用到实时系统和各类电子产品的开发中，比如UML-RT和ROOM就是这方面研究的产物。本文以直流变频空调控制系统开发为案例（以下简称案例），介绍建模和统一过程在HA电子产品开发的应用。HA电子产品开发生命周期在HA电子产品的研发中，采用瀑布模型的开发人员经常会遇到如下一些问题：用户在项目初始阶段只有构思，迫切需要原型；开发过程中用户需求不断变更；软件编码全部完成了却发现仿真系统不可用；正式送样才发现许多实现的功能同用户要求有差距，并且用户又有新要求；批量生产时才发现产品设计不符合生产要求；延伸产品开发需要简化流程等等。因此就提出这样一个课题，需要建立什么样的新产品开发过程去确保项目的进度和质量，有效地控制预算，最大可能地降低项目风险。运用统一过程RUP的二维模型，结合HA电子产品研发特点和多年开发实践经验，本文提出HA电子产品开发生命周期，如图1。HA电子产品开发生命周期分为五个阶段：产品构思阶段、产品定义阶段、产品实现和首样阶段、用户测试和确认阶段和产品生产阶段。每个阶段以一个主里程碑结束，主里程碑由每阶段获得的一组可用制品定义。具体制品可以是：实物原型、系统框图、线路设计原理图及PCB图、结构设计图、软件开发文档、系统实验报告、用户测试数据等等。每个主里程碑的目标是确保这些制品在产品的生命周期内以一种平稳的方式进化。各阶段需要经历一系列迭代过程，每次迭代或多或少都会经历需求、分析、设计、实现和测试等核心工作流，按其阶段各有不同的重点，如：产品构思阶段重点在需求捕获，产品定义阶段重点在分析和设计。2图1HA电子产品生命周期产品构思阶段即初始阶段，是将一个好想法发展为产品的一个构思。案例中最初的想法是：“日本市场已经有大量的直流变频空调产品，我们在交流变频技术的基础上能否研发直流变频产品？”，并由此展开市场调研，确认直流变频空调控制系统的基本功能，针对直流变频控制这一关键技术，先后评估了基于东芝、富士通和飞思卡尔单片机的多种方案，从中优选富士通16位单片机MB90P562/462为主芯片。进而，利用原交流变频中采用三菱多电源IPM模块PM20CTM060的功率驱动板，快速地构成开发和试验直流变频控制的原型，初步实现了基于BLDC电机的控制技术。这个过程由直流变频控制这一关键风险驱动，经历了包含需求、分析、设计、测试等核心工作流的初次迭代，形成了本案例的核心技术构架。在此基础上评估投入及风险，完成可行性分析。阶段的最后进行立项评审，决定启动项目进入产品定义阶段的开发，确定了主要的风险及其优先次序：BLDC压缩机的控制、单电源IPM的应用、IPM模块的保护等，规划了后续的阶段计划。产品定义阶段即细化阶段。本阶段通过与用户的反复沟通，确定了系统的范围：分体式挂机采用上海日立BLDC压缩机，室外风机两档风速，系统不使用电子膨胀阀而采用毛细管法等等；明确了直流变频空调控制系统的绝大多数功能性需求；明确了系统性能要求：功率因数=0.97，COP=3.5，压缩机目标频率范围20Hz~130Hz，频率误差正负0.5Hz等等。同时，对其中大部分的需求进行细致分析，先是整体系统的分析，而后向下分解，分别从软件、电子线路和结构三大方向细化分析和设计。针对日立BLDC压缩机的控制这一关键风险，通过大量实验改进PID算法，确定控制策略；由于具体系统的结构要求以及采用了单电源IPM，结构方面需要大的调整，所以重新设计功率驱动板，三菱单电源IPM和采用QFP封装的主芯片都集成在板上；室内机控制板和室外机控制板采用强电单线的半双工异步通讯。本阶段基本完成了产品的整体设计，包括：技术规范和检验标准、线路设计原理图、产品结构清单、关键物料选型、结构件图纸、软件用况视图、静态结构视图和动态行为视图等3等。阶段的最后进行设计评审，决定进入产品实现和首样阶段的开发。产品实现和首样阶段即构造阶段。本阶段继续捕获存在的需求并进行设计，完成产品的实现和测试。具体完成：室内机控制板、室外机电源板和功率驱动板的PCB设计和制作；绝大部分的软件编码和调试；结构件开模等等。期间，需要改善EMC问题，优化IPM模块的热设计，提高功率因数，从而推动一系列的迭代过程，最终完成产品首样。阶段最后进行首样评价，确定正式交付用户。用户测试和确认阶段即移交阶段。本阶段处理在用户环境中运转时遇到的所有问题以及工艺设计问题，包括：同实际空调系统匹配，要求进一步优化和调整BLDC压缩机的控制策略；噪声设计要求改进室内风机和室外风机的控制；实际的结构匹配要求调整电控板的结构尺寸等。期间经过了多次样品改进，经历用户实验确认和试产过程。阶段的最后进行样品评审，决定产品发布，进入小批量生产。产品生产阶段包括小批量生产和大批量生产。经过小批量生产，进一步发现和改进工艺设计，以及用户要求的局部设计更改，如：改进生产线测试程序。小批评审、技术转移和生产定型在本阶段完成。本案例表明HA电子产品开发生命周期能很好地适应全新产品开发。案例中无论开发人员还是用户，对最终产品的认识是随过程的深入而不断加深认识的。采用迭代开发方法，可以尽早处理关键风险，特别在最初两个阶段最大可能地降低风险；可以处理不断变化的需求，不断进化的制品使用户和相关人员从早期就对项目情况有直接认识，并不断指出被忽略的需求。实际开发工作中需要规划和思考每次迭代过程，尽可能大化每次增量，合理地减少迭代次数，从而有效控制开发成本。当然，可以根据新产品类型对上述模型进行定制和裁剪。例如：面对延伸产品开发，由于概念清晰，风险确定，可以将产品构思合并至产品定义阶段，可以简化立项评审和设计评审。产品发布前各阶段通常也只需要一次至两次迭代。UML建模UML可以用于描述非软件领域的系统，在HA电子产品开发过程中使用UML制定系统的所有蓝图也日渐成为开发团队理想的方法。建模的目的是更好地理解系统。UML模型由语义和包含语义的用户视图组成，语义定义有三个主要方面：结构、行为和功能。本文主要讨论用况模型和域模型。前面谈到要尽早处理关键风险，就要在产品早期阶段建立包含关键和主要用况的用况模型。用况模型描述用户所理解的系统功能，表明了开发者和用户对需求规格达成的共识。然后分析并设计系统来满足这些用况，进而在实现模型中实现该系统，最后准备测试模型来验证系统是否满足用况中描述的功能，所以用况还驱动着整个开发过程。图2是空调控制系统的用况图，包括遥控器和控制器两个子系统，图中描述了该产品的主要用况。一般用户和安装人员是遥控器的参与者，三者又构成空调器的参与者。“设置运行命令”和“设置时钟”是一般用户使用遥控器的两个主要用况，“设置机型码”是安装人员进行空调机型和参数设置的用况，通过用况“发送遥控码”和“接收遥控码”的单向通信，将用户、遥控器与空调器关联起来。“模式运行”是空调器的关键用况，包括“待机”、“送风”、“制冷”、“制热”和“除湿”等模式运行子用况，“强制运行”是专为安装人员使用的功能，也可以是一般用户在无法使用遥控器时的应急手段，“生4产测试”是生产测试人员需要的重要功能。实际情况中，生产测试人员和安装人员可以扮演一般用户的角色。图2空调控制系统用况图上述用况图（图2）只是直观、简单的表示，主要在于确定空调控制系统的用况，每个用况需要编写用况文本详细地加以描述。随着过程的深入，需要继续捕获用况和细化每个用况，直到考虑到了系统所需的所有功能。可以针对用况，使用交互图对其控制流建模。用况模型描述的是模型的动态部分，用况驱动是一种由外向内的方法；而域模型描述的是模型的静态部分，域建模是从系统的核心对象开始，由内向外地确定各对象如何参与要构造的系统。图3是直流变频空调室外机控制器的域模型，描述了系统中所有重要的对象。“室外机控制器”和“变频器”、“LED显示”、“异步通讯器”、“电源”是整体—部件的组合关系，“执行器”和“室外风机”、“四通阀”是泛化关系。有了用况模型和域模型，通过和用户充分地沟通并达成一致，从而确定系统的功能需求。之后迭代地、循序渐进地展开分析和设计工作，改进和细化系统的静态和动态模型，直至能够代码实现。5图3直流变频空调室外机控制系统域模型设计模式的应用客观世界的物理特性为解决问题提供了直观的方法，模式的思想最早就成熟于建筑业。设计模式概念是由建筑设计师ChristopherAlexander提出的，“每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心。这样，你就能一次又一次地使用该方案而不必做重复劳动。”使用设计模式目的在于优化系统内部的结构，通过减少对象之间的依赖性，降低耦合程度，使得系统更易于扩展，提高对象可复用性。针对HA电子产品开发，也有许多经过实践提炼出来的设计模式可以被有效使用。对于比较复杂的空调系统，如：变频空调和一拖多系统，往往室内机和室外机各自具有MCU，彼此之间通讯共同完成系统的控制。这时，主从通讯方式是最普遍使用的设计模式，主节点主导全部通讯，从节点只有在被询问时才响应。LIN总线和I2C总线就是其典型实例。案例中，强电单线的半双工异步通讯就是主从通讯模式，具有通讯协议简洁、成本低和可靠性高的特点。在本案例的温度采样中，由于排气传感器、盘管传感器和环境温度传感器的物理特性不同，检测要求的精度和频度不同，以及所处环境的干扰程度不同，采用了不同的数字滤波算法，此时策略设计模式是非常有效的，见图4。图4策略设计模式在本案例的早期开发阶段，为确定BLDC电机或压缩机的控制策略，也借鉴了6策略设计模式。由于BLDC压缩机在低转速时，反电动势低导致检测不可靠，其控制主要分为启动和自同步运行两个过程，启动过程又包括强制定位、开环加速和反电动势可用性检测。所以在软件中设计多个强制定位方式、开环加速策略、反电动势可用性准则和闭环调速方法，包括简单的PI调速和稍复杂的PID调速，通过参数化设计的方式在实验中灵活选择，通过对各种实验数据的分析和比较，逐步确定了控制策略。在本案例中，还使用了其它在实时嵌入式系统中常见的设计模式。比如：看门狗模式由MCU硬件直接支持，用于将MCU从中止状态中解脱出来。结束语UML建模和统一过程RUP的思想、技术和方法针对电子产品的研发同样能体现其先进性和应用意义。在本文案例--直流变频空调控制系统的开发中，实际应用了HA电子产品开发生命周期、UML建模以及设计模式，理顺了开发过程，极早地解决了关键技术，大大降低了开发风险，是个行之有效的尝试。但是UML和RUP二者本身是非常复杂的，如何对其裁剪和定制，提高应用于电子产品研发中的有效性，还要继续大量的探索。（作者单位：厦门华联电子有限公司）