WinCE系統流程場景化設計方法研究與應用

馬軍霞　張　鐸　丁國強　熊　明

(鄭州輕工業學院軟件學院1,河南 鄭州　450002；鄭州輕工業學院電氣信息工程學院2,河南 鄭州　450002)

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WinCE系統流程場景化設計方法研究與應用

馬軍霞1張鐸2丁國強2熊明2

(鄭州輕工業學院軟件學院1,河南 鄭州450002；鄭州輕工業學院電氣信息工程學院2,河南 鄭州450002)

隨著工業設備在復雜控制領域的不斷發展，其控制系統越來越龐大。為了降低系統設計的復雜度，針對嵌入式控制系統的特點進行研究，提出了一種基于WinCE系統的流程場景化設計方法。該方法以應用場景為基礎配置工作流程，通過有限狀態機和多線程技術結合來實現動作機構自動化運行，并將其應用到觸摸式工業分析儀控制系統的設計中。研究結果表明，該方法具有業務集中、結構松耦合、代碼復用效率高的優點，適用于嵌入式控制系統的開發。

嵌入式控制系統WinCE系統流程場景化有限狀態機多線程技術工業分析儀線性回歸修正自動化

Linear regression correctionAutomation

0　引言

近年來，嵌入式系統得到了廣泛的應用，但是其設計方法仍然相對滯后。由于嵌入式設備往往針對某一類應用場景進行單獨的設計和定制，其設計思路和方法不能用于其他設備，將導致應用場合受到限制[1-2]。本文參考了企業管理信息系統中業務流程管理和流程自動化的方法[3-5]，結合嵌入式設備軟硬件協同設計的特點，對工業分析儀控制系統進行設計，并從中提煉出流程場景化的設計方法。該方法適用于基于微軟公司嵌入式、移動計算平臺基礎(windows embedded compact,WinCE)的嵌入式控制系統，并以業務集中、結構松耦合的特點，為程序設計開發和維護升級提供了便利。

流程場景化設計是將系統工作流程與業務場景相結合的一種設計方法。通過對任務需求進行分析，把整個系統劃分為多個功能模塊，分別實現不同的功能。在每個工作場景下，對各自需要的功能模塊進行組合，最后根據工作流程將這些場景組合起來，構成一個完整的處理過程。這就是流程場景化設計的總體思想，這種方法設計的程序具有業務集中、結構松耦合的特點。

流程場景化設計方法主要應用在嵌入式控制系統中，可以明顯減少代碼數量，提高代碼復用率。在實現過程中，通過有限狀態機建模、有限狀態機和多線程結合的方式，可自動判斷系統狀態，實現復雜場景的切換控制，從而滿足系統實時性、可擴展性和可靠性方面的要求。由于該方法對系統硬件沒有特別的要求，理論上可滿足大多數嵌入式系統的實際需要。

1　系統設計

根據流程場景化的方法，對基于WinCE的工業分析儀控制系統進行設計。系統硬件部分采用了SMART 210-S70觸摸屏作為人機交互終端，配置了三星S5PV210的主處理器。該處理器采用ARM CortexTM-A8內核和ARM V7指令集，可實現2 000 DMIPS的高性能運算，完全滿足了工業分析儀系統的需求。同時，該系統使用了58 mm熱敏打印機進行數據輸出，打印速度快、占用空間少。

在Windows 32位系統環境下，使用Microsoft Visual Studio 2005開發工具以及MFC類庫對工業分析儀控制系統進行開發[6-7]。

工業分析儀控制系統可以劃分為如下模塊。

①交互界面模塊：負責以表格形式實時更新試驗結果、被選取坩堝的位置以及系統硬件狀態指示等最直觀的試驗數據。

②工作測試模塊：該模塊是流程場景化方法應用的核心部分，分為水分試驗、灰分試驗以及揮發分試驗三種，用戶可根據需要選取相應的測試項目并檢測，最后對試驗結果進行分析，得出樣品的成分含量。

③參數設置模塊：負責試驗前各種參數的設置，包括硬件通信接口及其波特率的設置、不同試驗的加熱溫度和保持時間、PID參數設置、系統修正值設置等。

④系統調試模塊：主要完成對系統硬件部分的獨立調試，以保證系統硬件各部分的功能正常。

⑤數據管理模塊：將每次試驗完成后的分析結果保存在系統非易失儲存器內，并根據用戶需要提供數據的查詢、上傳及打印功能。

系統功能模塊結構如圖1所示。

圖1　系統功能模塊圖Fig.1　Function module diagram of system

2　系統工作流程

根據測試需求，儀器會按照熱重分析原理[8]，遵循測試流程自主進行樣品測試。試驗啟動后，儀器將逐項進行操作員選擇的檢測項目，并根據試驗的不同階段、不同類型提示操作員配合執行相關操作，直至檢測完成，得到檢測數據。

在系統初始化完成以后，開始執行系統自檢、機構復位等操作，操作人員根據系統提示和實際需要設置合適的恒溫溫度、恒溫時間及PID參數等，然后再根據系統提示稱量空坩堝和煤樣質量；經操作人員確認，儀器進入自動測試模式，利用分段式PID溫度控制算法，精確控制加熱溫度達到并保持在設定值；待水分、灰分及揮發分試驗達到相應的測試時間后，儀器將對樣品進行冷卻，再由天平進行稱量；最后系統根據測量數據計算試樣水分、灰分和揮發分等技術指標，將計算結果顯示在觸摸屏上的程序主界面中，并在后臺自動保存到非易失存儲器中。

在系統進行工作測試的過程中，負責項目測試的核心文件為EXPER.H以及EXPER.CPP。這兩個文件主要規定了工分儀在檢測過程中處于不同階段時的動作過程控制。試驗過程分為三個時期：準備期、試驗期、結果期。準備階段負責加熱前的樣品稱重，試驗階段集中處理不同種類的試驗，最后將準備階段與試驗階段的檢測數據進行比較并計算，得到試驗結果。

系統流程如圖2所示。

圖2　系統流程圖Fig.2　System flowchart

試驗期試驗又分為三種不同類型，分別是水分試驗、灰分試驗、揮發分試驗，它們都是以熱重法為分析原理，具有相似的試驗步驟，僅在算法、加熱溫度、加熱時間、檢測過程等方面存在差異性。通過分析，每種試驗可分為進入階段、等待溫度階段、等待計時器階段和離開測試階段，在不同的階段完成相應的動作。以水分試驗為例，系統在進入階段把水分PID參數送給系統，然后給高溫爐內通入氮氣，開始加熱；在等待溫度階段，檢測實際溫度與設定溫度差值，判斷是否加熱到預定值；當溫度加熱至預定值時，進入等待計時器階段，利用PID分段控制算法，使溫度保持在107 ℃，并計時保持30 min；計時完成后離開試驗階段，關閉氮氣，對樣品進行稱重并計算水分結果。除放樣和參數設置外，整個試驗過程無需人工干預，均由系統自動完成，且可保證試驗精度和安全性。

3　流程場景化技術內涵及特點

試驗類型分為水分試驗、灰分試驗及揮發分試驗三種，根據流程場景化設計方法，分別使之對應三種不同的場景：水分測試場景(CWaterState)、灰分測試場景(CAshState)和揮發分測試場景(CVolState)。每個場景下的流程相同，分為進入試驗(StaEntry)、等待溫度(StaWaitTemp)、等待計時(StaWaitTimer)、結束試驗(StaLeave)。每個流程按照順序執行設定好的動作，共同完成工業分析儀對煤樣三種指標的自動化測量，其檢測流程如圖3所示。這種設計使得不同種類的試驗可以復用代碼，整個程序結構更加清晰，也減少了開發人員的工作量。

圖3　檢測流程場景化結構圖Fig.3　Structure of process scenarios

3.1業務集中

流程場景化設計的特點之一就是業務集中。在稱重處理中，由于不同場景下對被測樣品的物理化學性質的測試需求有所不同，稱量時要考慮坩堝帶蓋和不帶蓋這兩種情況。在這兩種情況下，分別進行空坩堝和坩堝加樣品的稱重，通過前后對比計算樣品質量。如果按照試驗流程順序編寫程序，會導致系統業務分散、條理性差的結果。針對這種情況，把試驗階段和準備階段分開編寫，用OnScalageProcess()函數統一處理坩堝和樣品在水分、灰分、揮發分三種試驗場景中各個階段的稱量過程；后期在試驗過程中，只需調用該函數即可實現稱重處理的功能，使整個系統體現出業務集中、結構松散的特點。

3.2結構松耦合

為了便于不同場景下對各模塊的調用，工分儀控制系統采用松耦合的結構，其優點是模塊之間依賴性很小，改變一個模塊幾乎不會影響到其他模塊[8-10]；在靈活性方面，它能夠根據不同的業務需求靈活組合，減少開發成本。在可維護性方面，緊耦合系統因為其組件的接口與功能結構之間聯系很緊密，當對程序某個部分進行修改時，系統會變得很脆弱；松耦合系統在改變程序某個部分時，其他組件仍能正常運行，便于研究人員后期調試。

在系統的灰分試驗場景中，有經典法和快速法這兩種檢測方式。如果用戶選擇經典法加熱，在第一階段，系統緩慢升溫至500 ℃，并保持30 min，第二階段繼續升溫至815 ℃，保持在此溫度下灼燒規定時間；如果是快速法加熱，系統將直接升溫至815 ℃，并在此溫度下灼燒到規定時間。在對快速法進行設計時，僅需對經典法加熱過程的StaWaitTemp()函數重新設定溫度值，無需對系統其他組件進行改動，體現出松耦合結構的優越性。

3.3有限狀態機與多線程技術

在對本程序項目試驗階段進行設計的過程中，研究人員參考了游戲開發中經常用到的有限狀態機(finite state machine，FSM)的思想，并將這種設計思想和分析方法引入到工業分析儀的控制系統中。

有限狀態機的本質是一種數學模型，用來描述有限多個狀態以及在這些狀態之間的轉移和動作。一個完整的有限狀態機由狀態、事件、動作及狀態轉移函數等幾個要素組成[11-12]。系統通過事件驅動在各個狀態間遷移：從一個初始狀態開始，系統接收到有效的事件輸入，產生一個動作輸出，經狀態轉移函數變換到一個新的狀態。將這種機制用于軟件設計中，控制復雜場景的切換，具有很好的適應性，可以使程序變得簡潔高效、復用性強。

在對坩堝及樣本進行稱量的過程中，由于系統每次只能對一個坩堝進行稱量，設計人員引入有限狀態機抽象出稱量過程的自動化流程。系統對待測坩堝的稱量及對轉盤的動作控制，是以用戶預先設定的檢測條件及待測坩堝數量為依據的。通過與串口通信，可得外部硬件設備信息，以判斷狀態機是否進行狀態轉移。系統按照升盤、轉動定位、降盤、稱重和復位這幾個狀態節點自動進行狀態轉換。UML有限狀態機結構如圖4所示。

圖4　UML有限狀態機圖Fig.4　UML finite state machine

為保證對試驗過程的實時監控，一方面，系統使用多線程技術來實時讀取被測樣品所處狀態，并實時更新到主界面，在主界面上會有一個區域專門顯示轉盤位置，方便操作人員隨時掌握試驗進度；另一方面，在判斷有限狀態機是否進行狀態轉換時，讀取線程周期性獲得的狀態數據，并將其作為狀態轉換的判斷依據。在系統運行過程中，這些線程與負責程序主要流程的工作者線程和負責響應用戶事件的用戶接口線程相互獨立，CPU按照優先級分時處理。利用MFC框架下的多線程技術與有限狀態機結合，使得系統能夠并發執行多個不同的業務流程，保證了測試流程的正確執行。

4　數據處理

系統在完成對煤樣的水分、灰分、揮發分等指標的分析后，使用MFC類庫中的CArchive類文件，以二進制的形式將分析結果自動保存在非易失存儲器中。另外，系統也可以將分析結果通過標準以太網端口上傳到遠程服務器。用戶可以通過局域網覆蓋范圍內的任何一臺設備進行查詢，大大提高了分析結果的實時性和有效性。

系統根據國標規定的計算公式[13]，對檢測數據進行分析計算。由于在高溫和低溫情況下坩堝的質量會發生變化，因此在工業分析儀的計算過程中，需要分別采集低溫和高溫下空坩堝質量、加樣坩堝質量。此外，在測定水分、灰分時采用不加蓋的坩堝數據，而在測定揮發分時采用加蓋的坩堝數據。將0#坩堝與1#坩堝置于同等條件下進行測驗，其中0#坩堝不放置樣品，僅作為數據修正使用。對1#坩堝與0#坩堝分別稱重，計算加熱前的樣品質量；在儀器內加熱到指定溫度，待持續到指定時間后，對托盤內的坩堝分別稱重。通過0#坩堝加熱前后的質量對比，可以得出坩堝容器質量隨溫度變化的系數。通過1#坩堝加熱前后的質量變化，減去坩堝本體隨溫度變化量，則可得到高溫加熱后的試樣殘重。將加熱后的試樣殘重與加熱前的樣品質量進行對比，即可得到1#坩堝中樣品的水分或灰分含量。

對于揮發分含量的計算，只需將加蓋的坩堝數據代入上述流程參與計算即可。

由于實際應用中存在溫度和濕度等客觀環境因素的影響[14]，系統測得的結果可能會有偏差，因此需要對儀器設備進行線性回歸修正。這就是通過測量標準煤樣，在其水分、灰分以及揮發分的含量都已知的情況下，對儀器進行標定的過程。用戶將標準煤樣的標準數據輸入后，系統自動計算和保存線性回歸系數，并利用該回歸系數數值對測試結果進行自動修正。

5　系統測試

將編寫好的程序進行編譯鏈接，生成解決方案。編譯完成后，使用ActiveSync軟件在PC端和硬件設備上同步調試程序。點擊調試按鈕后，PC端桌面和觸摸屏上同時出現TYGF-6000工業分析儀系統主界面。聯調過程中，利用單步執行監控程序執行過程，并在程序關鍵位置設置斷點，檢查執行的中間結果。經調試無誤后再把系統軟件裝載到WinCE平臺中，進行整機測試。

在參數設置完畢及各部件單項測試完成以后，進行工業分析儀的精確度測試。采用5組干基標準煤樣和19組普通煤樣，分別進行分析，全部測試過程嚴格按照GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》的規定執行。5組干基標準煤樣編號分別為GBW11103h、GBW11104h、GBW11107s、GBW11109j、GBW11110h，其標準煤樣灰分及揮發分的分析結果如表1所示。

表1　標準煤樣灰分和揮發分分析結果Tab.1　Analysis results of ash content and volatile component in standard coal samples

表1中，5組標準煤樣的測量值均按照3次測量得出的平均值來計算，通過將平均測量值與給定標準值相比較，試驗誤差均小于0.2%，滿足國標規定的精確度要求，說明工業分析儀可以進行準確測試。根據GB/T 212-2008《煤的工業分析法》中對煤樣灰分、揮發分測試精密度的規定，本次設計所使用的工業分析儀其差值及重復性均在國標規定的再現性臨界差及重復性限的范圍內，表明其水分、灰分及揮發分三個指標的檢測精度都能夠滿足國標要求。

6　結束語

本文提出了一種WinCE系統流程場景化設計方法。該方法將系統工作流程與業務場景相結合，可根據用戶選擇的應用場景靈活配置工作模塊，具有結構松耦合、業務集中的特點；通過有限狀態機和多線程技術結合的方式，自動判斷動作狀態，可實現系統動作的自動化控制。結合觸摸式工業分析儀控制系統設計實例，進行了詳細說明，驗證了該方法對于嵌入式系統設計具有一定的優越性，對于同類應用開發也具有一定的參考價值。

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Research and Application of the WinCE- based Design Method for Process Scenarios

With the development of industrial facilities in sophisticated control field,related control systems are becoming increasingly large.In order to reduce the complexity of system design,the characteristics of embedded control systems are studied and a process scenarios design method based on WinCE is proposed.On the basis of application scenarios,the workflow is configured; automatic operation of actuating mechanism is implemented by combining finite state machine with multi-thread technology.The method is also applied in the design of control system of touch-type industrial analyzer.The result of research shows that the method has many advantages,including business concentrated,structure loosely coupled,and high efficiency of code reuse; it is suitable for development of embedded control systems.

Embedded control systemWinCE systemProcess scenariosFinite state machineMultithread technologyIndustrial analyzer

馬軍霞(1974—)，女，2007年畢業于鄭州大學軟件與理論專業，獲碩士學位，講師；主要研究方向為計算機控制技術、軟件工程開發應用。

TH-3;TP216+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610003

國家自然科學基金資助項目(編號：U1204603)；

鄭州輕工業學院研究生創新基金資助項目(編號：2014004)。