基于組件化思想的測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙海源，王麗芳，蔣澤軍

（西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，種類繁多的控制設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控裝置使得傳統(tǒng)的測(cè)控軟件已無(wú)法滿足用戶的各種需求。開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)的測(cè)控軟件時(shí)，當(dāng)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；已開(kāi)發(fā)成功的測(cè)控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴；在修改測(cè)控軟件的源程序時(shí)，倘若原來(lái)的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。基于構(gòu)件[1]技術(shù)的測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問(wèn)題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)測(cè)控軟件存在的種種問(wèn)題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)[2]（Configuration），完成最終的自動(dòng)化控制工程。具體地說(shuō)，測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是為測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行提供的集成環(huán)境；利用該平臺(tái)可靈活配置硬件測(cè)試資源，以可視化的方式配置測(cè)試流程，并加載硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序從而自動(dòng)生成測(cè)控軟件。

1 基于組件化思想的測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)概述

隨著近幾年Internet的飛速發(fā)展，使軟件應(yīng)用置身于更加廣闊的環(huán)境中，從而對(duì)應(yīng)用軟件的跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)和互操作性提出了更高的要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的面向?qū)ο骩3]思想難以適應(yīng)現(xiàn)代的分布式軟件應(yīng)用[4]，組件化思想應(yīng)運(yùn)而生。組件化思想使得設(shè)計(jì)人員在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中更傾向于將功能從主程序中剝離出來(lái)，封裝在獨(dú)立的模塊中。

組件化設(shè)計(jì)的基本思想是將單獨(dú)的、龐大而復(fù)雜的應(yīng)用程序劃分成多個(gè)模塊，但這里每一個(gè)模塊不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼集，而是一個(gè)自給自足的組件，每個(gè)組件保持一定的功能獨(dú)立性，在協(xié)同工作時(shí)，通過(guò)相互之間的接口完成實(shí)際的任務(wù)；這些組件可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)，單獨(dú)編譯，甚至單獨(dú)調(diào)試和測(cè)試，當(dāng)所有的組件開(kāi)發(fā)完成后，把它們組合在一起就得到了完整的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境發(fā)生變化或者用戶的需求有所更改時(shí)，并不需要對(duì)所有的組件進(jìn)行修改，而只需對(duì)受影響的組件進(jìn)行修改，然后重新組合得到新的升級(jí)軟件測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)基于組件化思想，發(fā)布訂閱機(jī)制、虛擬共享內(nèi)存等技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員只需要關(guān)注測(cè)控邏輯的開(kāi)發(fā)，而不用過(guò)多地關(guān)注程序語(yǔ)言本身相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)，即使是對(duì)程序設(shè)計(jì)了解較少的工程人員，也可以快速地將測(cè)控領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用在測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)中，并在短時(shí)間內(nèi)形成軟件產(chǎn)品。測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)能通過(guò)可視化的流程設(shè)計(jì)，構(gòu)建出與之相適應(yīng)的測(cè)控軟件源碼、工程文件和安裝文件?；诮M件化思想的“測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)”是標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；耐ㄓ脺y(cè)控開(kāi)發(fā)軟件，利用該平臺(tái)中的標(biāo)準(zhǔn)功能組件可以實(shí)現(xiàn)組件管理、測(cè)控軟件的組裝、雙視圖界面的效果模擬、硬件資源管理、二次開(kāi)發(fā)（平臺(tái)的擴(kuò)展、測(cè)控軟件的升級(jí)）、ActiveX和COM封裝與集成等功能。

2 基于組件化思想的測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)基于組件化設(shè)計(jì)思想，平臺(tái)具有通用性和擴(kuò)展性。測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的框架主要實(shí)現(xiàn)測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)，以及平臺(tái)的管理功能。為了支持平臺(tái)的擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的擴(kuò)展機(jī)制，包括組件的擴(kuò)展和組件的調(diào)試。測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的框架與擴(kuò)展圖如圖1所示。

圖1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的框架與擴(kuò)展Fig.1 Framework of the development platform and extend

測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)，主要通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)發(fā)布功能完成。組態(tài)設(shè)計(jì)包含使用平臺(tái)拖放式組件在雙視圖界面中對(duì)測(cè)控軟件流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)發(fā)布通過(guò)所完成的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)組件的順序組裝，生成VC工程并進(jìn)行打包，系統(tǒng)發(fā)布預(yù)留了編輯腳本的接口，提供開(kāi)發(fā)人員編輯腳本控制測(cè)控軟件的功能。

測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的管理功能包含安全管理、日志管理、組件管理及資源管理。通過(guò)對(duì)平臺(tái)的管理為平臺(tái)對(duì)測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)提供支持。測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有可擴(kuò)展性，通過(guò)提供組件開(kāi)發(fā)向?qū)У墓δ?，為平臺(tái)提供ActiveX組件和COM組件的擴(kuò)展，將非平臺(tái)原有組件封裝成平臺(tái)自身的組件，并且擴(kuò)展組件時(shí)，通過(guò)組件調(diào)試保證組件擴(kuò)展的可用性。測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)啟動(dòng)平臺(tái)框架，動(dòng)態(tài)加載軟件平臺(tái)下的所有組件。當(dāng)測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)人員對(duì)平臺(tái)進(jìn)行操作時(shí)，軟件平臺(tái)框架根據(jù)操作的信息實(shí)例化不同的組件對(duì)操作進(jìn)行相應(yīng)，其時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 時(shí)序圖Fig.2 Timing diagram

3 主體框架的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

軟件平臺(tái)的框架是一個(gè)通用的可獨(dú)立運(yùn)行的程序，定義了軟件平臺(tái)的接口規(guī)范，可自動(dòng)加載符合軟件平臺(tái)接口規(guī)范的組件，是整個(gè)軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)和主干，其主要作用有：

1）負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)軟件平臺(tái)和注冊(cè)組件：軟件平臺(tái)啟動(dòng)后初始化窗體界面和組件管理器（ComponenetManager），掃描組件目錄，完成組件的注冊(cè)，并保存組件信息；

2）負(fù)責(zé)管理組件：完成組件接口的初始化，加載和卸載組件，并處理軟件平臺(tái)異常；

3）負(fù)責(zé)向外界提供使用組件功能的界面（如菜單、工具欄等），通過(guò)規(guī)范接口調(diào)用工廠類組件實(shí)例化功能組件。工廠類組件是框架實(shí)例化功能組件的入口，為框架提供功能組件的相關(guān)信息，并根據(jù)需要實(shí)例化相應(yīng)的功能組件。

軟件平臺(tái)框架為組件的實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展提供了一系列基礎(chǔ)接口，并制定組件的開(kāi)發(fā)規(guī)范，簡(jiǎn)化了后期組件的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展。軟件平臺(tái)框架和組件接口間的類關(guān)系如圖3所示。組件可分為顯示類組件和不可顯示類組件：不可顯示類組件主要包括管理和控制軟件平臺(tái)的組件；顯示類組件具有界面視圖，主要包括窗口管理類組件、雙視圖類組件、界面視圖類組件、組態(tài)視圖類組件。開(kāi)發(fā)組件時(shí)，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)組件的特性，繼承相應(yīng)的基礎(chǔ)接口。例如具有雙視圖的組件繼承Doubleview Component接口，具有界面視圖的組件繼承Face Plate Component接口，具有組態(tài)視圖的組件繼承Link View Component接口。開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心平臺(tái)底層的特性，只需繼承相應(yīng)接口類，結(jié)合組件的特定需求即可開(kāi)發(fā)符合軟件平臺(tái)接口規(guī)范的組件。按照軟件平臺(tái)框架所定義的接口規(guī)范進(jìn)行組件的開(kāi)發(fā)，封裝組件的功能，提高組件的開(kāi)發(fā)效率。

圖3 靜態(tài)類圖Fig.3 Static class diagram

4 組件設(shè)計(jì)

4.1 組件模型

軟件平臺(tái)中的組件是針對(duì)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一系列相關(guān)功能的集合體，組件本身具有良好的擴(kuò)展性和復(fù)用性。組件包含一個(gè)工廠[5]類組件以及一個(gè)或多個(gè)功能組件，通常被封裝在同一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中。軟件平臺(tái)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)掃描組件目錄，并將可用組件注冊(cè)到框架中。組件的工廠類組件為組件提供與框架交互的接口，是組件實(shí)例化的入口。組件的結(jié)構(gòu)圖如4所示。

圖4 組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of component structure

基礎(chǔ)組件與功能組件的劃分：

軟件平臺(tái)中的組件包括基礎(chǔ)組件和功能組件?；A(chǔ)組件在軟件平臺(tái)啟動(dòng)時(shí)由框架自動(dòng)加載，僅實(shí)例化一次，初始化軟件的界面和基本功能；基礎(chǔ)組件包括Editpanel組件、生成/打包組件、硬件管理組件、日志記錄組件。功能組件輔助軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)測(cè)控軟件流程中所需的具體功能，軟件平臺(tái)不會(huì)自動(dòng)加載功能組件，需開(kāi)發(fā)人員在使用組件時(shí)可將其實(shí)例化，并可實(shí)例化多次；功能組件包括分

級(jí)組件、調(diào)試組件、流程控制組件、分布式通信組件、算法組件、腳本組件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件、顯示組件、加密解密組件。

功能組件是組件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的具有單一功能的程序，由工廠類組件接口實(shí)例化，并由軟件平臺(tái)框架調(diào)用。啟動(dòng)軟件平臺(tái)后，自動(dòng)掃描組件目錄，調(diào)用LoadPlugIn接口加載組件。組件中的工廠類組件實(shí)例化后，調(diào)用Register接口將功能組件注冊(cè)在組件注冊(cè)表中。

4.2 組件通信機(jī)制

軟件平臺(tái)中的組件間通信包括數(shù)據(jù)交換和消息[6]傳遞兩部分。

1）數(shù)據(jù)交換

組件間的數(shù)據(jù)交換采用端口機(jī)制實(shí)現(xiàn)。端口定義了數(shù)據(jù)流的信息，包括端口號(hào)、端口在組件圖示內(nèi)的位置、端口傳輸數(shù)據(jù)類型、端口輸入輸出類型、端口接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)值。開(kāi)發(fā)人員可通過(guò)擴(kuò)展和自定義端口的數(shù)據(jù)類型完成批量數(shù)據(jù)的傳輸。軟件平臺(tái)使用強(qiáng)類型轉(zhuǎn)換機(jī)制，開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行組態(tài)時(shí)，需保證接收端口的輸入數(shù)據(jù)類型與發(fā)送端口的輸出數(shù)據(jù)類型匹配，否則無(wú)法在端口間連線完成組件間通信。軟件平臺(tái)在組態(tài)設(shè)計(jì)階段完成端口匹配的工作，避免了開(kāi)發(fā)人員因疏忽出現(xiàn)的錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化了組態(tài)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，提高了組態(tài)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

2）消息傳遞

軟件平臺(tái)采用消息捕獲機(jī)制和發(fā)布-訂閱機(jī)制[7]共同完成組件間消息的傳遞。組件捕獲軟件平臺(tái)發(fā)布的所有消息，并對(duì)訂閱的消息做出相應(yīng)處理，同時(shí)繼續(xù)向下分發(fā)其它消息。組件間采用notify接口與report接口共同實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布-訂閱機(jī)制，對(duì)發(fā)布訂閱機(jī)制的描述如圖5所示。軟件平臺(tái)根據(jù)對(duì)消息的解析結(jié)果，將組件B和組件C注冊(cè)到組件A上，一個(gè)組件可注冊(cè)到多個(gè)組件上，實(shí)現(xiàn)消息的傳遞與控制。

軟件平臺(tái)根據(jù)對(duì)消息的解析，調(diào)用attach函數(shù)將組件B和組件C加入到組件A的notify鏈表中，并將組件A加入到組件B及組件C的report鏈表中。軟件平臺(tái)采用雙向記錄方式，使用report鏈表記錄組件注冊(cè)的對(duì)象，使用notify鏈表記錄注冊(cè)到該組件之上的其它組件，共同實(shí)現(xiàn)組件的注冊(cè)過(guò)程。

圖5 平臺(tái)通信機(jī)制Fig.5 Platform communication mechanism

組件觸發(fā)事件時(shí)，將事件封裝為XML格式的消息，查詢r(jià)eport和notify鏈表，將變化的事件發(fā)布到鏈表上的所有組件，軟件平臺(tái)默認(rèn)組件接受所有類型的事件。

5 結(jié) 論

測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用組件化的設(shè)計(jì)思想。使用組件化編程思想提高了組件的復(fù)用率，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，提高了開(kāi)發(fā)效率。組件化的設(shè)計(jì)思想使得測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的通用性、可移植性、可擴(kuò)展性和開(kāi)發(fā)效率均得到有效提高，使得測(cè)控軟件通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有可靠性和易用性，并具有二次開(kāi)發(fā)功能。

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