建模和統(tǒng)一過(guò)程在家用電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

1、.PAGE ：.；PAGE 6建模和一致過(guò)程在家用電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的運(yùn)用陳虢引言當(dāng)前國(guó)內(nèi)家用(HA)電子產(chǎn)品已構(gòu)成很大的市場(chǎng)規(guī)模和極強(qiáng)的創(chuàng)新才干，企業(yè)研發(fā)部門(mén)要面對(duì)眾多的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程，科學(xué)的方法和有效的管理就尤為重要。UML建模和一致過(guò)程RUP是面向?qū)ο笏枷牒头椒ǖ膬蓚€(gè)最重要的成果，在軟件密集型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的運(yùn)用中已證明了其先進(jìn)性。二者包含的方法、技術(shù)和工具也逐漸運(yùn)用到實(shí)時(shí)系統(tǒng)和各類(lèi)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，比如UML-RT和ROOM就是這方面研討的產(chǎn)物。本文以直流變頻空調(diào)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為案例以下簡(jiǎn)稱(chēng)案例，引見(jiàn)建模和一致過(guò)程在HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的運(yùn)用。HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期在HA電子產(chǎn)品的研發(fā)中，采用瀑布模

2、型的開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常會(huì)遇到如下一些問(wèn)題：用戶(hù)在工程初始階段只需構(gòu)思，迫切需求原型；開(kāi)發(fā)過(guò)程中用戶(hù)需求不斷變卦；軟件編碼全部完成了卻發(fā)現(xiàn)仿真系統(tǒng)不可用；正式送樣才發(fā)現(xiàn)許多實(shí)現(xiàn)的功能同用戶(hù)要求有差距，并且用戶(hù)又有新要求；批量消費(fèi)時(shí)才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不符合消費(fèi)要求；延伸產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求簡(jiǎn)化流程等等。因此就提出這樣一個(gè)課題，需求建立什么樣的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程去確保工程的進(jìn)度和質(zhì)量，有效地控制預(yù)算，最大能夠地降低工程風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用一致過(guò)程RUP的二維模型，結(jié)合HA電子產(chǎn)品研發(fā)特點(diǎn)和多年開(kāi)發(fā)實(shí)際閱歷，本文提出HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期，如圖1。HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期分為五個(gè)階段：產(chǎn)品構(gòu)思階段、產(chǎn)品定義階段、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和首樣階段

3、、用戶(hù)測(cè)試和確認(rèn)階段和產(chǎn)品消費(fèi)階段。每個(gè)階段以一個(gè)主里程碑終了，主里程碑由每階段獲得的一組可用制品定義。詳細(xì)制品可以是：實(shí)物原型、系統(tǒng)框圖、線(xiàn)路設(shè)計(jì)原理圖及PCB圖、構(gòu)造設(shè)計(jì)圖、軟件開(kāi)發(fā)文檔、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、用戶(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)等等。每個(gè)主里程碑的目的是確保這些制品在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)以一種平穩(wěn)的方式進(jìn)化。各階段需求閱歷一系列迭代過(guò)程，每次迭代或多或少都會(huì)閱歷需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試等中心任務(wù)流，按其階段各有不同的重點(diǎn)，如：產(chǎn)品構(gòu)思階段重點(diǎn)在需求捕獲，產(chǎn)品定義階段重點(diǎn)在分析和設(shè)計(jì)。圖1 HA電子產(chǎn)品生命周期產(chǎn)品構(gòu)思階段即初始階段，是將一個(gè)好想法開(kāi)展為產(chǎn)品的一個(gè)構(gòu)思。案例中最初的想法是：“日本市場(chǎng)曾經(jīng)有

4、大量的直流變頻空調(diào)產(chǎn)品，我們?cè)诮涣髯冾l技術(shù)的根底上能否研發(fā)直流變頻產(chǎn)品？，并由此展開(kāi)市場(chǎng)調(diào)研，確認(rèn)直流變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的根本功能，針對(duì)直流變頻控制這一關(guān)鍵技術(shù)，先后評(píng)價(jià)了基于東芝、富士通和飛思卡爾單片機(jī)的多種方案，從中優(yōu)選富士通16位單片機(jī)MB90P562/462為主芯片。進(jìn)而，利用原交流變頻中采用三菱多電源IPM模塊PM20CTM060 的功率驅(qū)動(dòng)板，快速地構(gòu)成開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)直流變頻控制的原型，初步實(shí)現(xiàn)了基于BLDC電機(jī)的控制技術(shù)。這個(gè)過(guò)程由直流變頻控制這一關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)，閱歷了包含需求、分析、設(shè)計(jì)、測(cè)試等中心任務(wù)流的初次迭代，構(gòu)成了本案例的中心技術(shù)構(gòu)架。在此根底上評(píng)價(jià)投入及風(fēng)險(xiǎn)，完成可行性分析。

5、階段的最后進(jìn)展立項(xiàng)評(píng)審，決議啟開(kāi)工程進(jìn)入產(chǎn)品定義階段的開(kāi)發(fā)，確定了主要的風(fēng)險(xiǎn)及其優(yōu)先次序：BLDC緊縮機(jī)的控制、單電源IPM的運(yùn)用、IPM模塊的維護(hù)等，規(guī)劃了后續(xù)的階段方案。產(chǎn)品定義階段即細(xì)化階段。本階段經(jīng)過(guò)與用戶(hù)的反復(fù)溝通，確定了系統(tǒng)的范圍：分體式掛機(jī)采用上海日立BLDC緊縮機(jī)，室外風(fēng)機(jī)兩檔風(fēng)速，系統(tǒng)不運(yùn)用電子膨脹閥而采用毛細(xì)管法等等；明確了直流變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的絕大多數(shù)功能性需求；明確了系統(tǒng)性能要求：功率因數(shù)=0.97，COP=3.5，緊縮機(jī)目的頻率范圍20Hz130Hz，頻率誤差正負(fù)0.5Hz等等。同時(shí)，對(duì)其中大部分的需求進(jìn)展細(xì)致分析，先是整體系統(tǒng)的分析，而后向下分解，分別從軟件、電子線(xiàn)

6、路和構(gòu)造三大方向細(xì)化分析和設(shè)計(jì)。針對(duì)日立BLDC緊縮機(jī)的控制這一關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)改良PID算法，確定控制戰(zhàn)略；由于詳細(xì)系統(tǒng)的構(gòu)造要求以及采用了單電源IPM，構(gòu)造方面需求大的調(diào)整，所以重新設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)板，三菱單電源IPM和采用QFP封裝的主芯片都集成在板上；室內(nèi)機(jī)控制板和室外機(jī)控制板采用強(qiáng)電單線(xiàn)的半雙工異步通訊。本階段根本完成了產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)，包括：技術(shù)規(guī)范和檢驗(yàn)規(guī)范、線(xiàn)路設(shè)計(jì)原理圖、產(chǎn)品構(gòu)造清單、關(guān)鍵物料選型、構(gòu)造件圖紙、軟件用況視圖、靜態(tài)構(gòu)造視圖和動(dòng)態(tài)行為視圖等等。階段的最后進(jìn)展設(shè)計(jì)評(píng)審，決議進(jìn)入產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和首樣階段的開(kāi)發(fā)。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和首樣階段即構(gòu)造階段。本階段繼續(xù)捕獲存在的需求并進(jìn)展設(shè)計(jì)

7、，完成產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。詳細(xì)完成：室內(nèi)機(jī)控制板、室外機(jī)電源板和功率驅(qū)動(dòng)板的PCB設(shè)計(jì)和制造；絕大部分的軟件編碼和調(diào)試；構(gòu)造件開(kāi)模等等。期間，需求改善EMC問(wèn)題，優(yōu)化IPM模塊的熱設(shè)計(jì)，提高功率因數(shù)，從而推進(jìn)一系列的迭代過(guò)程，最終完成產(chǎn)品首樣。階段最后進(jìn)展首樣評(píng)價(jià)，確定正式交付用戶(hù)。用戶(hù)測(cè)試和確認(rèn)階段即移交階段。本階段處置在用戶(hù)環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遇到的一切問(wèn)題以及工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括：同實(shí)踐空調(diào)系統(tǒng)匹配，要求進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整BLDC緊縮機(jī)的控制戰(zhàn)略；噪聲設(shè)計(jì)要求改良室內(nèi)風(fēng)機(jī)和室外風(fēng)機(jī)的控制；實(shí)踐的構(gòu)造匹配要求調(diào)整電控板的構(gòu)造尺寸等。期間經(jīng)過(guò)了多次樣品改良，閱歷用戶(hù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)和試產(chǎn)過(guò)程。階段的最后進(jìn)展樣品評(píng)

8、審，決議產(chǎn)品發(fā)布，進(jìn)入小批量消費(fèi)。產(chǎn)品消費(fèi)階段包括小批量消費(fèi)和大批量消費(fèi)。經(jīng)過(guò)小批量消費(fèi)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和改良工藝設(shè)計(jì)，以及用戶(hù)要求的部分設(shè)計(jì)更改，如：改良消費(fèi)線(xiàn)測(cè)試程序。小批判審、技術(shù)轉(zhuǎn)移和消費(fèi)定型在本階段完成。本案例闡明HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期能很好地順應(yīng)全新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。案例中無(wú)論開(kāi)發(fā)人員還是用戶(hù)，對(duì)最終產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)是隨過(guò)程的深化而不斷加深認(rèn)識(shí)的。采用迭代開(kāi)發(fā)方法，可以盡早處置關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，特別在最初兩個(gè)階段最大能夠地降低風(fēng)險(xiǎn)；可以處置不斷變化的需求，不斷進(jìn)化的制品運(yùn)用戶(hù)和相關(guān)人員從早期就對(duì)工程情況有直接認(rèn)識(shí)，并不斷指出被忽略的需求。實(shí)踐開(kāi)發(fā)任務(wù)中需求規(guī)劃和思索每次迭代過(guò)程，盡能夠大化每次增量，合理地

9、減少迭代次數(shù)，從而有效控制開(kāi)發(fā)本錢(qián)。當(dāng)然，可以根據(jù)新產(chǎn)品類(lèi)型對(duì)上述模型進(jìn)展定制和裁剪。例如：面對(duì)延伸產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，由于概念明晰，風(fēng)險(xiǎn)確定，可以將產(chǎn)品構(gòu)思合并至產(chǎn)品定義階段，可以簡(jiǎn)化立項(xiàng)評(píng)審和設(shè)計(jì)評(píng)審。產(chǎn)品發(fā)布前各階段通常也只需求一次至兩次迭代。UML建模UML可以用于描畫(huà)非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)，在HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用UML制定系統(tǒng)的一切藍(lán)圖也日漸成為開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)理想的方法。建模的目的是更好地了解系統(tǒng)。UML模型由語(yǔ)義和包含語(yǔ)義的用戶(hù)視圖組成，語(yǔ)義定義有三個(gè)主要方面：構(gòu)造、行為和功能。本文主要討論用況模型和域模型。前面談到要盡早處置關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，就要在產(chǎn)品早期階段建立包含關(guān)鍵和主要用況的用況模型。用況模型描

10、畫(huà)用戶(hù)所了解的系統(tǒng)功能，闡明了開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)對(duì)需求規(guī)格達(dá)成的共識(shí)。然后分析并設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足這些用況，進(jìn)而在實(shí)現(xiàn)模型中實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，最后預(yù)備測(cè)試模型來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)能否滿(mǎn)足用況中描畫(huà)的功能，所以用況還驅(qū)動(dòng)著整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。圖2是空調(diào)控制系統(tǒng)的用況圖，包括遙控器和控制器兩個(gè)子系統(tǒng)，圖中描畫(huà)了該產(chǎn)品的主要用況。普通用戶(hù)和安裝人員是遙控器的參與者，三者又構(gòu)成空調(diào)器的參與者?！霸O(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)命令和“設(shè)置時(shí)鐘是普通用戶(hù)運(yùn)用遙控器的兩個(gè)主要用況，“設(shè)置機(jī)型碼是安裝人員進(jìn)展空調(diào)機(jī)型和參數(shù)設(shè)置的用況，經(jīng)過(guò)用況“發(fā)送遙控碼和“接納遙控碼的單向通訊，將用戶(hù)、遙控器與空調(diào)器關(guān)聯(lián)起來(lái)?！胺绞竭\(yùn)轉(zhuǎn)是空調(diào)器的關(guān)鍵用況，包括“待機(jī)、“送風(fēng)、“

11、制冷、“制熱和“除濕等方式運(yùn)轉(zhuǎn)子用況，“強(qiáng)迫運(yùn)轉(zhuǎn)是專(zhuān)為安裝人員運(yùn)用的功能，也可以是普通用戶(hù)在無(wú)法運(yùn)用遙控器時(shí)的應(yīng)急手段， “消費(fèi)測(cè)試是消費(fèi)測(cè)試人員需求的重要功能。實(shí)踐情況中，消費(fèi)測(cè)試人員和安裝人員可以扮演普通用戶(hù)的角色。圖2 空調(diào)控制系統(tǒng)用況圖上述用況圖圖2只是直觀、簡(jiǎn)單的表示，主要在于確定空調(diào)控制系統(tǒng)的用況，每個(gè)用況需求編寫(xiě)用況文本詳細(xì)地加以描畫(huà)。隨著過(guò)程的深化，需求繼續(xù)捕獲用況和細(xì)化每個(gè)用況，直到思索到了系統(tǒng)所需的一切功能。可以針對(duì)用況，運(yùn)用交互圖對(duì)其控制流建模。用況模型描畫(huà)的是模型的動(dòng)態(tài)部分，用況驅(qū)動(dòng)是一種由外向內(nèi)的方法；而域模型描畫(huà)的是模型的靜態(tài)部分，域建模是從系統(tǒng)的中心對(duì)象開(kāi)場(chǎng)，由內(nèi)

12、向外地確定各對(duì)象如何參與要構(gòu)造的系統(tǒng)。圖3是直流變頻空調(diào)室外機(jī)控制器的域模型，描畫(huà)了系統(tǒng)中一切重要的對(duì)象?！笆彝鈾C(jī)控制器和“變頻器、“LED顯示、“異步通訊器、“電源是整體部件的組合關(guān)系，“執(zhí)行器和“室外風(fēng)機(jī)、“四通閥是泛化關(guān)系。有了用況模型和域模型，經(jīng)過(guò)和用戶(hù)充分地溝通并達(dá)成一致，從而確定系統(tǒng)的功能需求。之后迭代地、循序漸進(jìn)地展開(kāi)分析和設(shè)計(jì)任務(wù)，改良和細(xì)化系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，直至可以代碼實(shí)現(xiàn)。圖3 直流變頻空調(diào)室外機(jī)控制系統(tǒng)域模型設(shè)計(jì)方式的運(yùn)用客觀世界的物理特性為處理問(wèn)題提供了直觀的方法，方式的思想最早就成熟于建筑業(yè)。設(shè)計(jì)方式概念是由建筑設(shè)計(jì)師Christopher Alexander提出

13、的，“每一個(gè)方式描畫(huà)了一個(gè)在我們周?chē)粩喾磸?fù)發(fā)生的問(wèn)題，以及該問(wèn)題的處理方案的中心。這樣，他就能一次又一次地運(yùn)用該方案而不用做反復(fù)勞動(dòng)。 運(yùn)用設(shè)計(jì)方式目的在于優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)造，經(jīng)過(guò)減少對(duì)象之間的依賴(lài)性，降低耦合程度，使得系統(tǒng)更易于擴(kuò)展，提高對(duì)象可復(fù)用性。針對(duì)HA電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，也有許多經(jīng)過(guò)實(shí)際提煉出來(lái)的設(shè)計(jì)方式可以被有效運(yùn)用。對(duì)于比較復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)，如：變頻空調(diào)和一拖多系統(tǒng)，往往室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)各自具有MCU，彼此之間通訊共同完成系統(tǒng)的控制。這時(shí)，主從通訊方式是最普遍運(yùn)用的設(shè)計(jì)方式，主節(jié)點(diǎn)主導(dǎo)全部通訊，從節(jié)點(diǎn)只需在被訊問(wèn)時(shí)才呼應(yīng)。LIN總線(xiàn)和I2C總線(xiàn)就是其典型實(shí)例。案例中，強(qiáng)電單線(xiàn)的半雙工異步

14、通訊就是主從通訊方式，具有通訊協(xié)議簡(jiǎn)約、本錢(qián)低和可靠性高的特點(diǎn)。在本案例的溫度采樣中，由于排氣傳感器、盤(pán)管傳感器和環(huán)境溫度傳感器的物理特性不同，檢測(cè)要求的精度和頻度不同，以及所處環(huán)境的干擾程度不同，采用了不同的數(shù)字濾波算法，此時(shí)戰(zhàn)略設(shè)計(jì)方式是非常有效的，見(jiàn)圖4。圖4戰(zhàn)略設(shè)計(jì)方式在本案例的早期開(kāi)發(fā)階段，為確定BLDC電機(jī)或緊縮機(jī)的控制戰(zhàn)略，也自創(chuàng)了戰(zhàn)略設(shè)計(jì)方式。由于BLDC緊縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)低導(dǎo)致檢測(cè)不可靠，其控制主要分為啟動(dòng)和自同步運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)過(guò)程，啟動(dòng)過(guò)程又包括強(qiáng)迫定位、開(kāi)環(huán)加速和反電動(dòng)勢(shì)可用性檢測(cè)。所以在軟件中設(shè)計(jì)多個(gè)強(qiáng)迫定位方式、開(kāi)環(huán)加速戰(zhàn)略、反電動(dòng)勢(shì)可用性準(zhǔn)那么和閉環(huán)調(diào)速方法，包括簡(jiǎn)單的PI調(diào)速和稍復(fù)雜的PID調(diào)速，經(jīng)過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式在實(shí)驗(yàn)中靈敏選擇，經(jīng)過(guò)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和比較，逐漸確定了控制戰(zhàn)略。在本案例中，還運(yùn)用了其它在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方式。比如：看門(mén)狗方式由MCU硬件直接支