國際自控軟件設(shè)計的最新趨勢（II）：CASE工具篇及總結(jié)

分類：技術(shù)教程日期：2008-05-10 00:00:00

三、CASE工具篇
　　在上篇介紹文章中我們介紹了國際自動軟件設(shè)計領(lǐng)域中仿真校驗的趨勢，接下來我們來談?wù)凜ASE這個概念。CASE 是英文 Computer Aided Software Engineering的縮寫，主要是指利用一整套的方法和工具對系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行建模，并自動生成合適的程序。CASE概念在IT界已經(jīng)流行多年，現(xiàn)在已經(jīng)是必不可少的常用手段。而在自控軟件設(shè)計領(lǐng)域，CASE概念的流行還是最近幾年的事情，但發(fā)展速度之迅速卻是出乎許多人的預(yù)料。由于CASE概念為自控軟件設(shè)計領(lǐng)域帶來脫胎換骨般的變化，使整個領(lǐng)域提升至一個全新的高度，在短短一兩年的時間內(nèi)就迅速在歐美自控界普及開來。令人遺憾的是在國內(nèi)自控界卻幾乎無人談及，也很少有這方面的介紹文章。
　　CASE概念在自控軟件設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用主要還是圍繞著標(biāo)準(zhǔn)V型設(shè)計流程來展開（見圖）。在設(shè)計的各個階段，盡量多的使用計算機(jī)手段幫助設(shè)計人員高質(zhì)量地完成設(shè)計，并盡可能地減少需要使用的不同工具或產(chǎn)品種類，減少不同工具之間的數(shù)據(jù)重新捕獲，提高設(shè)計復(fù)用性，減輕設(shè)計人員掌握不同工具所需的學(xué)習(xí)量，降低整個設(shè)計和運營成本。下面，我們就根據(jù)V型圖的設(shè)計流程，逐一介紹一下CASE概念在自控軟件設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　1、設(shè)計規(guī)格說明書：可執(zhí)行的規(guī)格說明書（形式化設(shè)計）
　　自控軟件設(shè)計的第一步是根據(jù)用戶需求完成設(shè)計規(guī)格說明書。設(shè)計說明書是后面所有工作的基礎(chǔ)，它的好壞直接影響到整個設(shè)計的好壞。目前國內(nèi)普遍使用基于文本的工具編寫（如Word、Excel等）。但是，由于文本語言自身的特點，對于相同的文本每個人的理解經(jīng)常會出現(xiàn)差異，基于文本的設(shè)計說明書不可避免地在用戶和設(shè)計人員之間造成歧義和誤解。這些錯誤往往要到設(shè)計的最后階段甚至到現(xiàn)場安裝階段才被發(fā)現(xiàn)，造成巨大浪費并付出重大代價。因此，如何在設(shè)計的最初始階段解決所有的歧義，充分和用戶溝通并確保設(shè)計規(guī)格說明書完全符合用戶需求就顯得極為重要。
　　目前國際上的做法是在文本說明書的基礎(chǔ)上，全面使用“可執(zhí)行”的說明書。所謂“可執(zhí)行”，是指在設(shè)計的最開始階段，設(shè)計人員通過對用戶需求的分析，對系統(tǒng)進(jìn)行高層設(shè)計，使用用戶熟悉的圖形化方法對系統(tǒng)進(jìn)行分解和形式化建模。這就把基于文本的設(shè)計規(guī)格說明書可視化，同時清晰準(zhǔn)確地和客戶溝通。對現(xiàn)場對象的形式化建模能夠清除在用戶需求清單中含糊不清的條款，降低在項目后期再對設(shè)計進(jìn)行修改的風(fēng)險。從而在設(shè)計的開始階段就避免所有的歧義、誤解和含糊不清的地方。這就是可執(zhí)行的規(guī)格說明書，也是目前國際上非常流行的形式化設(shè)計的一種形式。

　　國內(nèi)有些單位也已經(jīng)認(rèn)識到基于文本的設(shè)計說明書的缺陷，有時在和用戶溝通的過程中也會使用Visio之類的工具畫出高層功能分解，并拿給用戶看。不過，這種做法的缺陷在于，這樣的圖形表示實際上只是一個示意性的說明，無法進(jìn)行模塊間連接有效性的檢查。另一方面，這種示意圖在實際系統(tǒng)實現(xiàn)時僅能作為參考，無法與實現(xiàn)過程緊密結(jié)合并強制地要求實際實現(xiàn)與其完全一致，從而大大削弱了其實際作用。
　2、設(shè)計：自頂向下、自底向上的設(shè)計方法
　　通過對高層需求的功能性分解，把整個系統(tǒng)逐步分解為最基本的組件，可以通過圖形化語言描述組件，完成設(shè)計。這是自頂向下的設(shè)計方法。
　　另一方面，在系統(tǒng)存在許多有共性或相同的組件，設(shè)計一個組件模板，就可以通過復(fù)制生成許多實例，像搭積木一樣把整個系統(tǒng)設(shè)計出來。這是自底向上的設(shè)計方法。最有效的設(shè)計工具應(yīng)該支持兩種方法的混合使用。
每當(dāng)做完一個組件設(shè)計，應(yīng)該可以很容易地進(jìn)行單元測試，確保組件的正確。另外，對由多個組件組成的復(fù)雜組件，最好能復(fù)用各單元測試的結(jié)果進(jìn)行集成測試。

　3、自動設(shè)計文檔生成
　　在傳統(tǒng)的自控設(shè)計中，手工編寫設(shè)計文檔占去了設(shè)計人員相當(dāng)多的時間和精力，是設(shè)計人員最不愿意做的事情之一。手工編寫設(shè)計文檔不但費時費力，更重要的是，難以保證所編寫的設(shè)計文檔和設(shè)計完全符合。對設(shè)計的每次更改，都會帶來設(shè)計文檔的更改甚至完全重新編寫，浪費大量精力和時間。自動設(shè)計文檔生成工具可以有效地解決這個難題。設(shè)計人員需要做的就是點擊一下鼠標(biāo)，所有的設(shè)計都會自動生成文檔，隨時隨地。小到基本組件，大到整個系統(tǒng)，都可以生成用戶定制的設(shè)計文檔。當(dāng)設(shè)計發(fā)生修改時，只需點擊一下鼠標(biāo)就可以輕松地再次生成文檔，并保證生成的設(shè)計文檔和設(shè)計是完全一致的，節(jié)省大量編寫文檔的時間和人力。
　4、控制代碼自動生成
　　隨著控制代碼自動生成工具的普及，越來越多的設(shè)計人員開始放棄手工編寫控制代碼，轉(zhuǎn)向使用自動工具。設(shè)計人員通過系統(tǒng)級圖形化軟件開發(fā)工具（如使用IEC61131-3語言）對所開發(fā)的項目進(jìn)行描述，建立整套系統(tǒng)的形式化模型。然后代碼自動生成工具就可以根據(jù)該模型生成PLC或C語言的源代碼。自動生成代碼能夠大幅提高設(shè)計品質(zhì)：
　　＊提高代碼質(zhì)量
　?。?提高代碼的可復(fù)用性
　　＊降低開發(fā)時間和成本
　?。?縮短調(diào)試時間
　　＊與設(shè)計完全吻合。如果設(shè)計更改，程序代碼保持一致
　?。?這是一種充分的、能夠完全被理解的系統(tǒng)設(shè)計方法，因為開發(fā)者的想法被自動地實現(xiàn)
　?。?在集成到目標(biāo)設(shè)備之前允許在一臺主機(jī)上進(jìn)行仿真，驗證更加規(guī)范和全面。
　5、仿真校驗
這部分內(nèi)容我們已經(jīng)在上一篇文章中詳細(xì)介紹過了，有興趣者請查看“中華工控網(wǎng)”的技術(shù)文摘：http://www.gkong.com/learn/learn_detail.asp?learn_id=862。
　6、透明設(shè)計：維護(hù)與升級
　　在目前國內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，自控系統(tǒng)集成商的設(shè)計對于最終用戶來說完全是“黑箱”設(shè)計。工程結(jié)束后，供應(yīng)商留下的設(shè)計文檔和控制代碼往往令人難以理解，用戶變成了“瞎子”，完全不知道自己的自控系統(tǒng)是如何設(shè)計和運作的。這會給用戶的系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)將來的升級改造帶來巨大困難！
　　這些年國際上普遍使用的是“透明設(shè)計”理念，自控集成商在設(shè)計過程中，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的CASE工具進(jìn)行設(shè)計，從最開始的設(shè)計規(guī)格說明書到系統(tǒng)實施階段全程和用戶溝通，全程對用戶透明，用戶完全知道是如何設(shè)計的，這樣對將來的系統(tǒng)維護(hù)和升級都極有好處。
　7、全流程的自控軟件解決方案
　　雖然在每個設(shè)計階段都存在著若干CASE工具幫助設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計，但對于一個完整的設(shè)計流程來說，設(shè)計人員往往需要掌握和使用多個工具，這顯然不能令人滿意。一個全流程的解決方案自然會成為設(shè)計人員的最愛。全流程的設(shè)計工具涵蓋了從設(shè)計規(guī)格說明書、設(shè)計、代碼生成、仿真校驗、到系統(tǒng)實施的全部過程，在享用CASE工具帶來的巨大好處的同時，設(shè)計人員無需在不同的工具間捕獲數(shù)據(jù)，無需同時學(xué)習(xí)掌握多種工具，從而大大降低設(shè)計成本，提高了設(shè)計效率。
四、總結(jié)
　　至此我們簡要介紹了一些目前國際上流行的自控軟件設(shè)計的先進(jìn)理念和技術(shù)，因為篇幅有限，不能深入進(jìn)行探討。大家在讀這篇文章的時候，可能也在思考我們的差距。是的，差距是顯而易見的，并且軟件設(shè)計方面的差距導(dǎo)致了我們的控制水平在精度和質(zhì)量等方面都落后于國際先進(jìn)水平。然而，我們也大可不必妄自菲薄。我們擁有一支數(shù)量眾多的高水平自控設(shè)計人員隊伍，不但專業(yè)知識扎實，實際經(jīng)驗豐富，接受新思想的速度也很快。從這幾年自控硬件的飛速發(fā)展就可以略窺一二。中國又是目前世界上最具活力的經(jīng)濟(jì)體，全球的制造中心，成千上萬的新工廠、新生產(chǎn)線每天都在建成，這無疑為自控領(lǐng)域的飛速發(fā)展提供了肥沃的土壤。只要我們堅持開放的心態(tài)，經(jīng)常了解國外先進(jìn)的理念和技術(shù)并為我所用，趕上并超過國外的日子也就指日可待了。
　　愿這篇簡短的介紹文章能起到拋磚引玉的作用，為廣大自控從業(yè)人員帶來一點啟示，為我國自控領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展盡綿薄之力！
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