1、建模和統(tǒng)一過(guò)程在家用電子產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用陳虢引言當(dāng)前國(guó)內(nèi)家用 (HA) 電子產(chǎn)品已形成很大的市場(chǎng)規(guī)模和極強(qiáng)的創(chuàng)新能力，企業(yè)研發(fā)部門要面對(duì)眾多的新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，科學(xué)的方法和有效的管理就尤為重要。UML建模和統(tǒng)一過(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)開發(fā)的應(yīng)用中已證明了其先進(jìn)性。二者包含的方法、技術(shù)和工具也逐步運(yùn)用到實(shí)時(shí)系統(tǒng)和各類電子產(chǎn)品的開發(fā)中，比如 UML-RT 和 ROOM 就是這方面研究的產(chǎn)物。本文以直流變頻空調(diào)控制系統(tǒng)開發(fā)為案例（以下簡(jiǎn)稱案例） ，介紹建模和統(tǒng)一過(guò)程在HA 電子產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用。HA電子產(chǎn)品開發(fā)生命周期在 HA 電子產(chǎn)品的研發(fā)中， 采用瀑布模型

2、的開發(fā)人員經(jīng)常會(huì)遇到如下一些問(wèn)題：用戶在項(xiàng)目初始階段只有構(gòu)思，迫切需要原型；開發(fā)過(guò)程中用戶需求不斷變更；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)的功能同用戶要求有差距，并且用戶又有新要求；批量生產(chǎn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不符合生產(chǎn)要求；延伸產(chǎn)品開發(fā)需要簡(jiǎn)化流程等等。因此就提出這樣一個(gè)課題，需要建立什么樣的新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程去確保項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量，有效地控制預(yù)算，最大可能地降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用統(tǒng)一過(guò)程 RUP 的二維模型， 結(jié)合 HA 電子產(chǎn)品研發(fā)特點(diǎn)和多年開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文提出 HA 電子產(chǎn)品開發(fā)生命周期，如圖 1。HA 電子產(chǎn)品開發(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)

3、品實(shí)現(xiàn)和首樣階段、用戶測(cè)試和確認(rèn)階段和產(chǎn)品生產(chǎn)階段。每個(gè)階段以一個(gè)主里程碑結(jié)束，主里程碑由每階段獲得的一組可用制品定義。具體制品可以是：實(shí)物原型、系統(tǒng)框圖、線路設(shè)計(jì)原理圖及PCB圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、軟件開發(fā)文檔、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、用戶測(cè)試數(shù)據(jù)等等。每個(gè)主里程碑的目標(biāo)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。各階段需要經(jīng)歷一系列迭代過(guò)程，每次迭代或多或少都會(huì)經(jīng)歷需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試等核心工作流，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)。1 / 6圖 1HA 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)好想法發(fā)展為產(chǎn)品的一個(gè)構(gòu)思。案例中最

4、初的想法是：“日本市場(chǎng)已經(jīng)有大量的直流變頻空調(diào)產(chǎn)品，我們?cè)诮涣髯冾l技術(shù)的基礎(chǔ)上能否研發(fā)直流變頻產(chǎn)品？” ，并由此展開市場(chǎng)調(diào)研，確認(rèn)直流變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的基本功能，針對(duì)直流變頻控制這一關(guān)鍵技術(shù)，先后評(píng)估了基于東芝、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)成開發(fā)和試驗(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)，經(jīng)歷了包含需求、分析、設(shè)計(jì)、測(cè)試等核心工作流的初次迭代，形成了本案例的核心技術(shù)構(gòu)架

5、。在此基礎(chǔ)上評(píng)估投入及風(fēng)險(xiǎn)，完成可行性分析。階段的最后進(jìn)行立項(xiàng)評(píng)審，決定啟動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)入產(chǎn)品定義階段的開發(fā)， 確定了主要的風(fēng)險(xiǎn)及其優(yōu)先次序：BLDC 壓縮機(jī)的控制、 單電源 IPM的應(yīng)用、 IPM 模塊的保護(hù)等，規(guī)劃了后續(xù)的階段計(jì)劃。產(chǎn)品定義階段即細(xì)化階段。 本階段通過(guò)與用戶的反復(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 壓縮機(jī)，室外風(fēng)機(jī)兩檔風(fēng)速，系統(tǒng)不使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 ，壓縮機(jī)目標(biāo)頻率范圍 20Hz130Hz ，頻率誤差正負(fù) 0.5Hz 等等。同時(shí)，對(duì)其中大

6、部分的需求進(jìn)行細(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、電子線路和結(jié)構(gòu)三大方向細(xì)化分析和設(shè)計(jì)。針對(duì)日立 BLDC 壓縮機(jī)的控制這一關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)改進(jìn) PID 算法，確定控制策略；由于具體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求以及采用了單電源 IPM ，結(jié)構(gòu)方面需要大的調(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)電單線的半雙工異步通訊。本階段基本完成了產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)，包括：技術(shù)規(guī)范和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、線路設(shè)計(jì)原理圖、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清單、關(guān)鍵物料選型、結(jié)構(gòu)件圖紙、軟件用況視圖、靜態(tài)結(jié)構(gòu)視圖和動(dòng)態(tài)行為視圖等2 / 6等。階段的最后進(jìn)行

7、設(shè)計(jì)評(píng)審，決定進(jìn)入產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和首樣階段的開發(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)行設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。 具體完成：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)和制作；絕大部分的軟件編碼和調(diào)試；結(jié)構(gòu)件開模等等。期間，需要改善EMC問(wèn)題，優(yōu)化 IPM 模塊的熱設(shè)計(jì)，提高功率因數(shù)，從而推動(dòng)一系列的迭代過(guò)程，最終完成產(chǎn)品首樣。階段最后進(jìn)行首樣評(píng)價(jià)，確定正式交付用戶。用戶測(cè)試和確認(rèn)階段即移交階段。本階段處理在用戶環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遇到的所有問(wèn)題以及工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題， 包括：同實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)匹配， 要求進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整BLDC壓縮機(jī)的控制策略；噪聲設(shè)計(jì)要求改進(jìn)室內(nèi)風(fēng)機(jī)和室外風(fēng)機(jī)的

8、控制；實(shí)際的結(jié)構(gòu)匹配要求調(diào)整電控板的結(jié)構(gòu)尺寸等。期間經(jīng)過(guò)了多次樣品改進(jìn)，經(jīng)歷用戶實(shí)驗(yàn)確認(rèn)和試產(chǎn)過(guò)程。階段的最后進(jìn)行樣品評(píng)審，決定產(chǎn)品發(fā)布，進(jìn)入小批量生產(chǎn)。產(chǎn)品生產(chǎn)階段包括小批量生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)小批量生產(chǎn)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，以及用戶要求的局部設(shè)計(jì)更改，如：改進(jìn)生產(chǎn)線測(cè)試程序。小批評(píng)審、技術(shù)轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)定型在本階段完成。本案例表明 HA 電子產(chǎn)品開發(fā)生命周期能很好地適應(yīng)全新產(chǎn)品開發(fā)。案例中無(wú)論開發(fā)人員還是用戶，對(duì)最終產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)是隨過(guò)程的深入而不斷加深認(rèn)識(shí)的。采用迭代開發(fā)方法， 可以盡早處理關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)， 特別在最初兩個(gè)階段最大可能地降低風(fēng)險(xiǎn)；可以處理不斷變化的需求，不斷進(jìn)化的制品使用戶和相

9、關(guān)人員從早期就對(duì)項(xiàng)目情況有直接認(rèn)識(shí)，并不斷指出被忽略的需求。實(shí)際開發(fā)工作中需要規(guī)劃和思考每次迭代過(guò)程，盡可能大化每次增量，合理地減少迭代次數(shù)，從而有效控制開發(fā)成本。當(dāng)然，可以根據(jù)新產(chǎn)品類型對(duì)上述模型進(jìn)行定制和裁剪。例如：面對(duì)延伸產(chǎn)品開發(fā)，由于概念清晰，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要一次至兩次迭代。UML建模UML 可以用于描述非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)，在 HA 電子產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中使用 UML 制定系統(tǒng)的所有藍(lán)圖也日漸成為開發(fā)團(tuán)隊(duì)理想的方法。建模的目的是更好地理解系統(tǒng)。UML 模型由語(yǔ)義和包含語(yǔ)義的用戶視圖組成， 語(yǔ)義定義有三個(gè)主要方

10、面： 結(jié)構(gòu)、行為和功能。本文主要討論用況模型和域模型。前面談到要盡早處理關(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。用況模型描述用戶所理解的系統(tǒng)功能，表明了開發(fā)者和用戶對(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)，最后準(zhǔn)備測(cè)試模型來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足用況中描述的功能，所以用況還驅(qū)動(dòng)著整個(gè)開發(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)，圖中描述了該產(chǎn)品的主要用況。一般用戶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)行命令”和“設(shè)置時(shí)鐘”是一般用戶使用遙控器的兩個(gè)主要用況， “設(shè)置機(jī)型碼”是安裝人員進(jìn)行

11、空調(diào)機(jī)型和參數(shù)設(shè)置的用況，通過(guò)用況“發(fā)送遙控碼”和“接收遙控碼”的單向通信，將用戶、遙控器與空調(diào)器關(guān)聯(lián)起來(lái)。 “模式運(yùn)行”是空調(diào)器的關(guān)鍵用況，包括“待機(jī)”、“送風(fēng)”、“制冷”、“制熱”和“除濕”等模式運(yùn)行子用況， “強(qiáng)制運(yùn)行”是專為安裝人員使用的功能，也可以是一般用戶在無(wú)法使用遙控器時(shí)的應(yīng)急手段，“ 生3 / 6產(chǎn)測(cè)試”是生產(chǎn)測(cè)試人員需要的重要功能。實(shí)際情況中，生產(chǎn)測(cè)試人員和安裝人員可以扮演一般用戶的角色。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)用況需要編寫用況文本詳細(xì)地加以描述。隨著過(guò)程的深入，需要繼續(xù)捕獲用況和細(xì)化每個(gè)用況，直到

12、考慮到了系統(tǒng)所需的所有功能?？梢葬槍?duì)用況，使用交互圖對(duì)其控制流建模。用況模型描述的是模型的動(dòng)態(tài)部分，用況驅(qū)動(dòng)是一種由外向內(nèi)的方法；而域模型描述的是模型的靜態(tài)部分，域建模是從系統(tǒng)的核心對(duì)象開始，由內(nèi)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，描述了系統(tǒng)中所有重要的對(duì)象。 “室外機(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，通過(guò)和用戶充分地溝通并達(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)地展開分析和設(shè)計(jì)工作，改進(jìn)和細(xì)化系統(tǒng)的靜態(tài)和

13、動(dòng)態(tài)模型，直至能夠代碼實(shí)現(xiàn)。4 / 6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)模式的應(yīng)用客觀世界的物理特性為解決問(wèn)題提供了直觀的方法，模式的思想最早就成熟于建筑業(yè)。設(shè)計(jì)模式概念是由建筑設(shè)計(jì)師Christopher Alexander 提出的，“每一個(gè)模式描述了一個(gè)在我們周圍不斷重復(fù)發(fā)生的問(wèn)題，以及該問(wèn)題的解決方案的核心。這樣，你就能一次又一次地使用該方案而不必做重復(fù)勞動(dòng)。” 使用設(shè)計(jì)模式目的在于優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過(guò)減少對(duì)象之間的依賴性，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)品開發(fā)，也有許多經(jīng)過(guò)實(shí)踐提煉出來(lái)的設(shè)計(jì)模式可以被有效使用。對(duì)于比較復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)，如

14、：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使用的設(shè)計(jì)模式，主節(jié)點(diǎn)主導(dǎo)全部通訊，從節(jié)點(diǎn)只有在被詢問(wèn)時(shí)才響應(yīng)。LIN 總線和 I2C 總線就是其典型實(shí)例。案例中，強(qiáng)電單線的半雙工異步通訊就是主從通訊模式，具有通訊協(xié)議簡(jiǎn)潔、成本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)策略設(shè)計(jì)模式是非常有效的，見圖4。圖 4 策略設(shè)計(jì)模式在本案例的早期開發(fā)階段，為確定BLDC 電機(jī)或壓縮機(jī)的控制策略，也借鑒了5 / 6策略設(shè)計(jì)模式。由于 BLDC 壓縮機(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)行兩個(gè)過(guò)程，啟動(dòng)過(guò)程又包括強(qiáng)制定位、開環(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)制定位方式、開環(huán)加速策略、反電動(dòng)勢(shì)可用性準(zhǔn)則和閉環(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，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式在實(shí)驗(yàn)中靈活選擇，通過(guò)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和比較，逐步確定了控制策略。在本案例中，還使用了其它在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中常見的設(shè)計(jì)模式。比如：看門狗模式由 MCU 硬件直接支持，用于將 MCU 從中止?fàn)?/p>