摘 要：隨著自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展,傳感器測(cè)控系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)正受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。本文在詳細(xì)分析傳感器測(cè)控系統(tǒng)的定義和功能需求的基礎(chǔ)上,利用UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言建立了通用型傳感器測(cè)控系統(tǒng)需求模型,使用用例圖對(duì)智能傳感器系統(tǒng)的各種用戶需求進(jìn)行描述。并對(duì)傳感器測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,使用協(xié)作圖對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊之間的信息傳遞和協(xié)作關(guān)系進(jìn)行了分析和描述。并且分別對(duì)系統(tǒng)中的硬件模塊提出了設(shè)計(jì)思路。 關(guān)鍵字：UML, 建模, 測(cè)控系統(tǒng) [b][align=center]Multi-purpose Senor Measuring and Control System based on the UML Model ZHANG Hui, ZHAI Hongsheng[/align][/b] Abstract: With the development of automation control system, the control systems based on sensors have been paid more attentions. On the basis of the analysis of definition and function requirement of sensor control systems, we used the UML to establish a model for the multi-purposes sensor control system, and describe the requirements of users in the system. We also analyzed the system structure of the control system, and proposed a design scheme for the circuit. Keywords: UML; Modeling; Control and Measuring System. 1 引言 　　智能化傳感器是一種帶嵌入式微處理器的傳感器,是嵌入式微處理器,智能理論和傳感器相結(jié)合而成的傳感器測(cè)控系統(tǒng),兼有檢測(cè)、判斷、網(wǎng)絡(luò)、通信和信息處理等功能,與傳統(tǒng)的傳感器相比有很多特點(diǎn):具有思維、判斷和信息處理功能,能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償,可提高測(cè)量精度;具有知識(shí),可多傳感器參數(shù)進(jìn)行測(cè)量綜合處理;根據(jù)需要可進(jìn)行自診斷和自校準(zhǔn),提高數(shù)據(jù)的可靠性;對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存取使用方便;有數(shù)據(jù)通信接口,能與微型計(jì)算機(jī)直接通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制;可在網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全球監(jiān)測(cè)控制;可實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。 2 傳感器功能分析 　　傳感器測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)可以定義其基本功能為: 　　1.復(fù)合敏感功能————智能傳感器測(cè)控系統(tǒng)具有復(fù)合功能,能夠同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量,給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。 　　2.自補(bǔ)償和計(jì)算功能————只要能保證傳感器的重復(fù)性好,利用微處理器對(duì)測(cè)試的信號(hào)通過(guò)軟件計(jì)算,采用多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)償,從而能獲得較精確的測(cè)量結(jié)果。 　　3.自檢、自校、自診斷功能————采用智能傳感器測(cè)控系統(tǒng),首先自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢,診斷測(cè)試以確定組件有無(wú)故障。其次根據(jù)使用時(shí)間可以在線進(jìn)行校正,微處理器利用存在EPROM內(nèi)的計(jì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校對(duì)。 　　4.信息存儲(chǔ)和傳輸————傳感器測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。如增益的設(shè)置、補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出等。 3 傳感器系統(tǒng)用例分析 　　用例建模是UML建模的一部分,也是UML里最基礎(chǔ)的部分。用例建模的最主要功能就是用來(lái)表達(dá)系統(tǒng)的功能性需求或行為?？梢源_定傳感器在整個(gè)控制系統(tǒng)中的位置和相互關(guān)系如圖1所示。 [align=center] 圖1傳感器與外界關(guān)系圖[/align] 　　由此,可以定義傳感器測(cè)控系統(tǒng)的用戶。 　　操作者:操作者建立傳感器與系統(tǒng)連接,上電啟動(dòng)傳感器與系統(tǒng),傳感器通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)尋找控制器,由控制器確定自己身份等設(shè)定參數(shù)。用戶也可以通過(guò)控制器設(shè)定特定傳感器的參數(shù)。 　　檢測(cè)參數(shù):即傳感器檢測(cè)物理量的參數(shù)變化,檢測(cè)參數(shù)變化將引起傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化,傳感器測(cè)控系統(tǒng)將對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ),在建立與控制器通訊的基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外,傳感器測(cè)控系統(tǒng)需要完成底層控制任務(wù),需要接受控制器發(fā)送的指令和數(shù)據(jù),即在控制器指令下,完成控制器發(fā)送數(shù)據(jù)、指令的接收、存儲(chǔ)和執(zhí)行。 　　關(guān)聯(lián)傳感器:任何一個(gè)智能傳感器都可能是一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)（目前最常見(jiàn)是通過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)總線）相連接,傳感器之間可能存在通訊,智能傳感器可以對(duì)關(guān)聯(lián)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)做出響應(yīng),或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),或者發(fā)送控制指令,或者修改自身某設(shè)定參數(shù)。 　　控制器:在系統(tǒng)初始化過(guò)程中,根據(jù)傳感器發(fā)送請(qǐng)求,分配身份識(shí)別ID,設(shè)定相關(guān)參數(shù);根據(jù)傳感器發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù),確定控制參數(shù)和控制指令,發(fā)送給指定傳感器。 　　驅(qū)動(dòng)器:接受傳感器測(cè)控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令,實(shí)施驅(qū)動(dòng)。 　　由此可以確定傳感器測(cè)控系統(tǒng)用例圖如圖2所示。 [align=center] 圖2傳感器測(cè)控系統(tǒng)用例圖[/align] 　　每一個(gè)用例中,都涉及到用戶與傳感器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)與周邊設(shè)備的信息交互,交互是協(xié)作中的一個(gè)消息集合,這些消息被類元角色通過(guò)關(guān)聯(lián)角色交換。當(dāng)協(xié)作在運(yùn)行時(shí),受類元角色約束的對(duì)象通過(guò)受關(guān)聯(lián)角色約束的連接交換消息實(shí)例。交互作用可對(duì)操作的執(zhí)行、用例或其他行為實(shí)體建模。 　　消息是兩個(gè)對(duì)象之間的單路通信,從發(fā)送者到接收者的控制信息流。消息具有用于在對(duì)象間傳值的參數(shù)。消息可以是信號(hào)（一種明確的、命名的、對(duì)象間的異步通信）或調(diào)用（具有返回控制機(jī)制的操作的同步調(diào)用）。 　　創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象在模型中被表達(dá)成一個(gè)事件,這個(gè)事件由創(chuàng)建對(duì)象所引起并由對(duì)象所在的類本身所接受。創(chuàng)建事件,作為從頂層初始狀態(tài)出發(fā)的轉(zhuǎn)換的當(dāng)前事件。對(duì)于新實(shí)例是可行的。 　　消息可以被組織成順序的控制線程。分離的線程代表并發(fā)的幾個(gè)消息集合。線程間的同步通過(guò)不同線程間消息的約束建模。同步結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ψ植婵刂?、結(jié)合控制和分支控制建模。 　　消息序列可以用兩種圖來(lái)表示:順序圖（突出消息的時(shí)間順序）和協(xié)作圖（突出交換消息的對(duì)象間的關(guān)系）。表示系統(tǒng)需求,通常都使用順序圖描述系統(tǒng)信息交互。 　　順序圖將交互關(guān)系表示為一個(gè)二維圖?？v向是時(shí)間軸,時(shí)間沿豎線向下延伸。橫向軸代表了在協(xié)作中各獨(dú)立對(duì)象的類元角色。類元角色用生命線表示。當(dāng)對(duì)象存在時(shí),角色用一條虛線表示,當(dāng)對(duì)象的過(guò)程處于激活狀態(tài)時(shí),生命線是一個(gè)雙道線。 4 傳感器測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　4.1傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成 　　根據(jù)上一章對(duì)傳感器系統(tǒng)的功能和用例分析,可以確定傳感器測(cè)控系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),在rational rose中定義出傳感器系統(tǒng)的部件圖如圖3所示 [align=center] 圖3 傳感器測(cè)控系統(tǒng)部件圖[/align] 　　傳感器測(cè)控系統(tǒng)模塊主要包括:信號(hào)調(diào)理模塊、多通道數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)編碼模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制決策模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、驅(qū)動(dòng)模塊及狀態(tài)顯示模塊等部分。所有的控制邏輯和數(shù)據(jù)計(jì)算全部由主控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。 　　在傳感器測(cè)控系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)中,信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)編碼模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、狀態(tài)顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊都需要系統(tǒng)硬件提供支撐,因此,可以確定傳感器系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4傳感器系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　4.2硬件設(shè)計(jì) 　　傳感器系統(tǒng)因?yàn)樾枰鳛楝F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的基本單元,需要具備體積小、低功耗、低成本、高性能;可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上控制,在硬件電路選擇上應(yīng)區(qū)別于普通的嵌入式系統(tǒng)。 　　4.2.1 基礎(chǔ)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　微處理單元是傳感器測(cè)控系統(tǒng)的核心,主要完成信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、處理（如數(shù)字濾波、非線性補(bǔ)償、自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（包括數(shù)據(jù)通信和控制量本地輸出）等工作。從智能傳感器高可靠性、低功耗、低成本和微體積等特點(diǎn)出發(fā),嵌入式微處理器系統(tǒng)是最佳選擇。 　　4.2.2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電信號(hào)與ADC的輸入范圍并不一定匹配,因而,一般不直接送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,必需對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的模擬信號(hào)符合ADC的要求。 　　4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路選擇 　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器是連接模擬和數(shù)字世界的一個(gè)重要接口。A/D轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)變換成數(shù)字位流以進(jìn)行處理、傳輸及其他操作。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇是至關(guān)重要的。所選擇的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能確保模擬信號(hào)在數(shù)字位流中被準(zhǔn)確地表示,并提供一個(gè)具有任何必需的數(shù)字信號(hào)處理功能的平滑接口。 　　4.2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路選擇 　　D/A轉(zhuǎn)換電路的選擇主要考慮轉(zhuǎn)換電路的分辨率、準(zhǔn)確度、線性度,首先分析分辨率與線性誤差的關(guān)系。根據(jù)分辨率的定義,位數(shù)越多,分辨率越高。 　　4.2.5 傳感器的通信電路設(shè)計(jì) 　　一般的智能傳感器都具有雙向通信功能,即智能傳感器之間,智能傳感器與控制器之間都存在數(shù)據(jù)傳輸,控制器不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。 5 小結(jié) 　　雖然智傳感器測(cè)控系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)己取得一定的成果,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展的迫切需求,本課題對(duì)智能傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),在詳細(xì)分析傳感器測(cè)控系統(tǒng)的定義和功能需求的基礎(chǔ)上,利用UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言建立了傳感器系統(tǒng)的需求模型,使用用例圖對(duì)傳感器系統(tǒng)的各種用戶需求進(jìn)行描述,使用順序圖詳細(xì)描述了每個(gè)用例的參與者和信息傳遞過(guò)程。以此為基礎(chǔ),對(duì)傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述,使用協(xié)作圖對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊之間的信息傳遞和協(xié)作關(guān)系進(jìn)行了分析。并且分別對(duì)傳感器系統(tǒng)中的硬件模塊提出了設(shè)計(jì)思路。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 　　本文討論了傳感器測(cè)控系統(tǒng)的硬件框架,在對(duì)傳感器系統(tǒng)功能和用例分析的基礎(chǔ)上,建立了系統(tǒng)的物理視圖。針對(duì)系統(tǒng)部件圖中描述的硬件結(jié)構(gòu),對(duì)傳感器測(cè)控系統(tǒng)各主要部件的設(shè)計(jì)要求作了討論, 參考文獻(xiàn): 　　[1] Kang Lee, Gao R X, Schneeman R.Sensor network and information interoperability integrating IEEE 1451,with MIMO2SA and OSA2CBM,Proceedings of the Instrumentation and Measurement 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