建模和统一过程在家用电子产品开发中的应用

1、.PAGE ：.；PAGE 6建模和一致过程在家用电子产品开发中的运用陈虢引言当前国内家用(HA)电子产品已构成很大的市场规模和极强的创新才干，企业研发部门要面对众多的新产品开发工程，科学的方法和有效的管理就尤为重要。UML建模和一致过程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运用中已证明了其先进性。二者包含的方法、技术和工具也逐渐运用到实时系统和各类电子产品的开发中，比如UML-RT和ROOM就是这方面研讨的产物。本文以直流变频空调控制系统开发为案例以下简称案例，引见建模和一致过程在HA电子产品开发的运用。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

2、型的开发人员经常会遇到如下一些问题：用户在工程初始阶段只需构思，迫切需求原型；开发过程中用户需求不断变卦；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；批量消费时才发现产品设计不符合消费要求；延伸产品开发需求简化流程等等。因此就提出这样一个课题，需求建立什么样的新产品开发过程去确保工程的进度和质量，有效地控制预算，最大能够地降低工程风险。运用一致过程RUP的二维模型，结合HA电子产品研发特点和多年开发实际阅历，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

3、、用户测试和确认阶段和产品消费阶段。每个阶段以一个主里程碑终了，主里程碑由每阶段获得的一组可用制品定义。详细制品可以是：实物原型、系统框图、线路设计原理图及PCB图、构造设计图、软件开发文档、系统实验报告、用户测试数据等等。每个主里程碑的目的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。各阶段需求阅历一系列迭代过程，每次迭代或多或少都会阅历需求、分析、设计、实现和测试等中心任务流，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。图1 HA电子产品生命周期产品构思阶段即初始阶段，是将一个好想法开展为产品的一个构思。案例中最初的想法是：“日本市场曾经有

4、大量的直流变频空调产品，我们在交流变频技术的根底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根本功能，针对直流变频控制这一关键技术，先后评价了基于东芝、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，快速地构成开发和实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，阅历了包含需求、分析、设计、测试等中心任务流的初次迭代，构成了本案例的中心技术构架。在此根底上评价投入及风险，完成可行性分析。

5、阶段的最后进展立项评审，决议启开工程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紧缩机的控制、单电源IPM的运用、IPM模块的维护等，规划了后续的阶段方案。产品定义阶段即细化阶段。本阶段经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紧缩机，室外风机两档风速，系统不运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，紧缩机目的频率范围20Hz130Hz，频率误差正负0.5Hz等等。同时，对其中大部分的需求进展细致分析，先是整体系统的分析，而后向下分解，分别从软件、电子线

6、路和构造三大方向细化分析和设计。针对日立BLDC紧缩机的控制这一关键风险，经过大量实验改良PID算法，确定控制战略；由于详细系统的构造要求以及采用了单电源IPM，构造方面需求大的调整，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。本阶段根本完成了产品的整体设计，包括：技术规范和检验规范、线路设计原理图、产品构造清单、关键物料选型、构造件图纸、软件用况视图、静态构造视图和动态行为视图等等。阶段的最后进展设计评审，决议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展设计

7、，完成产品的实现和测试。详细完成：室内机控制板、室外机电源板和功率驱动板的PCB设计和制造；绝大部分的软件编码和调试；构造件开模等等。期间，需求改善EMC问题，优化IPM模块的热设计，提高功率因数，从而推进一系列的迭代过程，最终完成产品首样。阶段最后进展首样评价，确定正式交付用户。用户测试和确认阶段即移交阶段。本阶段处置在用户环境中运转时遇到的一切问题以及工艺设计问题，包括：同实践空调系统匹配，要求进一步优化和调整BLDC紧缩机的控制战略；噪声设计要求改良室内风机和室外风机的控制；实践的构造匹配要求调整电控板的构造尺寸等。期间经过了多次样品改良，阅历用户实验确认和试产过程。阶段的最后进展样品评

8、审，决议产品发布，进入小批量消费。产品消费阶段包括小批量消费和大批量消费。经过小批量消费，进一步发现和改良工艺设计，以及用户要求的部分设计更改，如：改良消费线测试程序。小批判审、技术转移和消费定型在本阶段完成。本案例阐明HA电子产品开发生命周期能很好地顺应全新产品开发。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化而不断加深认识的。采用迭代开发方法，可以尽早处置关键风险，特别在最初两个阶段最大能够地降低风险；可以处置不断变化的需求，不断进化的制品运用户和相关人员从早期就对工程情况有直接认识，并不断指出被忽略的需求。实践开发任务中需求规划和思索每次迭代过程，尽能够大化每次增量，合理地

9、减少迭代次数，从而有效控制开发本钱。当然，可以根据新产品类型对上述模型进展定制和裁剪。例如：面对延伸产品开发，由于概念明晰，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求一次至两次迭代。UML建模UML可以用于描画非软件领域的系统，在HA电子产品开发过程中运用UML制定系统的一切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了解系统。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：构造、行为和功能。本文主要讨论用况模型和域模型。前面谈到要尽早处置关键风险，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

10、画用户所了解的系统功能，阐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，最后预备测试模型来验证系统能否满足用况中描画的功能，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，图中描画了该产品的主要用况。普通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。“设置运转命令和“设置时钟是普通用户运用遥控器的两个主要用况，“设置机型码是安装人员进展空调机型和参数设置的用况，经过用况“发送遥控码和“接纳遥控码的单向通讯，将用户、遥控器与空调器关联起来。“方式运转是空调器的关键用况，包括“待机、“送风、“

11、制冷、“制热和“除湿等方式运转子用况，“强迫运转是专为安装人员运用的功能，也可以是普通用户在无法运用遥控器时的应急手段， “消费测试是消费测试人员需求的重要功能。实践情况中，消费测试人员和安装人员可以扮演普通用户的角色。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，每个用况需求编写用况文本详细地加以描画。随着过程的深化，需求继续捕获用况和细化每个用况，直到思索到了系统所需的一切功能。可以针对用况，运用交互图对其控制流建模。用况模型描画的是模型的动态部分，用况驱动是一种由外向内的方法；而域模型描画的是模型的静态部分，域建模是从系统的中心对象开场，由内

12、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，描画了系统中一切重要的对象。“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，经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任务，改良和细化系统的静态和动态模型，直至可以代码实现。图3 直流变频空调室外机控制系统域模型设计方式的运用客观世界的物理特性为处理问题提供了直观的方法，方式的思想最早就成熟于建筑业。设计方式概念是由建筑设计师Christopher Alexander提出

13、的，“每一个方式描画了一个在我们周围不断反复发生的问题，以及该问题的处理方案的中心。这样，他就能一次又一次地运用该方案而不用做反复劳动。 运用设计方式目的在于优化系统内部的构造，经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，也有许多经过实际提炼出来的设计方式可以被有效运用。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运用的设计方式，主节点主导全部通讯，从节点只需在被讯问时才呼应。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

14、通讯就是主从通讯方式，具有通讯协议简约、本钱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，此时战略设计方式是非常有效的，见图4。图4战略设计方式在本案例的早期开发阶段，为确定BLDC电机或紧缩机的控制战略，也自创了战略设计方式。由于BLDC紧缩机在低转速时，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转两个过程，启动过程又包括强迫定位、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迫定位方式、开环加速战略、反电动势可用性准那么和闭环调速方法，包括简单的PI调速和稍复杂的PID调速，经过参数化设计的方式在实验中灵敏选择，经过对各种实验数据的分析和比较，逐渐确定了控制战略。在本案例中，还运用了其它在实时嵌入式系统中常见的设计方式。比如：看门狗方式由MCU硬件直接支