基于UML的數(shù)控系統(tǒng)人機界面建模與實現(xiàn)*

姚文姣，黃 艷

(1.中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所，沈陽 110000；2.中國科學院大學，北京 100049；3.沈陽中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司 GJ事業(yè)部，沈陽 110000)

0 引言

在當今信息時代的影響下，智能化、信息化技術(shù)被應用于各個方面。工業(yè)制造領(lǐng)域?qū)?shù)控技術(shù)的需求不再局限于過去的設(shè)計生產(chǎn)水平，開放性與可重構(gòu)性是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢[1-2]。人機界面是用戶與數(shù)控系統(tǒng)之間聯(lián)系的媒介。具有開放性的數(shù)控系統(tǒng)人機界面，在提高用戶使用感的同時為開發(fā)者對系統(tǒng)進行后期維護提供便利[3]。

本文基于UML技術(shù)和面向?qū)ο笤O(shè)計方法，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型和動態(tài)模型完成對界面框架及對象行為的描述，創(chuàng)建一種具有開放性的數(shù)控系統(tǒng)人機界面的框架模型。在界面的設(shè)計實現(xiàn)階段，由于高頻率的界面刷新重建會出現(xiàn)界面閃爍甚至卡死的問題，影響使用體驗。李寬等[4]在實驗中使用雙緩沖技術(shù)解決了界面刷新時產(chǎn)生的閃爍、抖動問題。針對該問題，本文在雙緩沖的基礎(chǔ)上，在界面開發(fā)階段應用三緩沖技術(shù)，降低界面負載和刷新延遲，取得了良好的效果。

1 本系統(tǒng)界面建模與分析

1.1 開放式人機界面的需求分析

以用戶的需求和所期望達到的預期目標為依據(jù)，對數(shù)控系統(tǒng)人機界面進行需求分析。界面結(jié)構(gòu)如圖1所示，概括了系統(tǒng)所包含界面的大致種類及相應子界面，構(gòu)造一個條理清晰的界面框架結(jié)構(gòu)。

圖1 界面結(jié)構(gòu)組成

針對每個界面 進行需求分析，獲取該界面的功能需求。位置界面中用戶可選擇零件的加工方式，實現(xiàn)對機床坐標、主軸速率及運動信息等的調(diào)整控制；參數(shù)界面實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的讀取顯示、修改、刪除等操作；程序界面中包括對NC程序的管理及校驗；設(shè)置界面包括對操作權(quán)限的設(shè)置，可對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分類別的備份還原，以達到對系統(tǒng)的維護；報警界面需將系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的錯誤和報警信息及時反饋給用戶，記錄并存儲系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息；補償界面完成對刀具補償和螺距補償信息的錄入和修改等。

將需求分析階段獲取的功能需求抽象成功能用例，并確定功能用例之間的交互關(guān)系，反映系統(tǒng)的實際使用情況。使用UML中的用例圖對框架模型和功能用例進行整體描述，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)用例圖

用例圖是UML靜態(tài)模型中的一種，它描述了系統(tǒng)角色與功能用例之間、各功能用例之間的交互關(guān)系[5]，反映了系統(tǒng)的開發(fā)目的。UML模型能夠?qū)ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)對象的靜態(tài)特性及動態(tài)特性實現(xiàn)視圖化的描述，深化了開發(fā)者對系統(tǒng)行為、結(jié)構(gòu)及其獨立元素的認識，有助于更好地確定設(shè)計流程，開發(fā)出易于維護的系統(tǒng)[6-7]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

以參數(shù)界面為例，通過對實現(xiàn)該界面所涉及的設(shè)計類、方法進行結(jié)構(gòu)化的描述，得到界面設(shè)計類圖，為實現(xiàn)階段提供框架基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 參數(shù)類圖

Display_Task類實現(xiàn)界面信息顯示及響應界面事件的功能。ViewParData類根據(jù)Key類傳遞的鍵值和獲取的當前光標位置，對選定數(shù)據(jù)實現(xiàn)相應的操作。FrameWin類實現(xiàn)對界面控件的布局管理。

1.3 系統(tǒng)對象間交互的動態(tài)模型

順序圖將功能用例進一步細化，關(guān)注系統(tǒng)對象之間的交互，強調(diào)在通信流程中的先后順序。通過對象間交互流程的描述，可提高界面開發(fā)的可操作性。以用戶對參數(shù)設(shè)置的功能用例建立順序圖，如圖4所示。Key類對用戶按下的按鍵獲取鍵值后進行識別判斷，F(xiàn)rameWin類做出刷新界面響應，并向DataParaCursor類發(fā)送讀取數(shù)據(jù)信息請求，顯示信息以實現(xiàn)當前界面的刷新。

圖4 參數(shù)操作順序圖

上文中以參數(shù)界面為例，展示了基于面向?qū)ο笤O(shè)計方法的UML模型構(gòu)建。通過類圖與順序圖的描述，開發(fā)者可以明確設(shè)計類之間的調(diào)用繼承關(guān)系及通信流程，為后期界面實現(xiàn)提供了明確的整體開發(fā)框架[8-9]。

2 系統(tǒng)界面設(shè)計實現(xiàn)

在硬件方面，使用基于ARM9處理器和已經(jīng)移植有μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的開發(fā)板作為目標機，且該開發(fā)板使用LCD液晶的顯示方式。PC機作為宿主機，選擇IAR Systems作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合JLink硬件仿真器進行實時調(diào)試，完成用戶界面的實現(xiàn)。

根據(jù)所創(chuàng)建的系統(tǒng)框架模型和UML分析得到的設(shè)計類，由于C語言對嵌入式軟件的編碼效率更好，所以需要將建模工具Rational Rose 生成的界面框架C++代碼進行相應的修改，并將處于靜態(tài)的對象所包含的方法修改成獨立的函數(shù)。

2.1 界面布局設(shè)計

主界面如圖5所示，系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置為程序回零。

圖5 主界面

由于界面給用戶最直觀的視覺感受，因而在外觀設(shè)計方面，需考慮到界面布局方式、色彩搭配、字體等因素，以一致性為基準，各個界面須風格統(tǒng)一[10-11]。本系統(tǒng)界面采用冷色調(diào)中的藍色作為基調(diào)，給人以低調(diào)鎮(zhèn)靜之感。使用以文字為主的信息反饋方式，直觀且易于理解，因此，創(chuàng)建了14×14、16×16、18×18三種不同大小的字體，在清晰顯示的前提下提供盡可能多的信息，若當前界面無法包含所有的信息內(nèi)容，可使用上下鍵和翻頁鍵進行查看。對于涉及參數(shù)顯示的界面采用LISTVIEW控件進行列表化的展示，達到整齊劃一的效果。界面菜單采用二級樹狀菜單的形式，每個界面都包含了主功能按鈕和子功能按鈕兩種類型，分別在界面的下方和側(cè)面。每個主功能按鈕都關(guān)聯(lián)相應的子功能操作。

在此主界面中，加工信息、位置參數(shù)和NC程序狀態(tài)等信息都進行了分類別分區(qū)域的顯示，使用戶不需進行其他操作就可了解當前機床的狀態(tài)信息。

2.2 界面閃爍問題的解決

在本系統(tǒng)中，界面需實時反饋機床的相關(guān)信息，即界面動態(tài)信息需實時刷新顯示。涉及到信息更新和界面切換時需刷新界面，而刷新時會伴隨界面閃爍的現(xiàn)象。

針對此現(xiàn)象，應用三緩沖技術(shù)進行處理，該技術(shù)可以保證界面在復雜情況下的連續(xù)性，提高界面刷新的流暢度。其基本原理如圖6所示。

圖6 三緩沖實現(xiàn)原理

該技術(shù)需要構(gòu)建一個前置緩沖區(qū)和兩個后置緩沖區(qū)。前置緩沖區(qū)用來暫存后置緩沖區(qū)繪制完成的內(nèi)容，待全部完成后復制到顯示緩沖區(qū)。相比而言，雙緩沖技術(shù)僅包含一個后置緩沖區(qū)，在面臨大量繪圖計算時，會出現(xiàn)影響性能和輸入延遲的情況，而三緩沖的額外緩沖區(qū)使系統(tǒng)有足夠的空間計算大量的圖形數(shù)據(jù)，且復制速度極快，可有效解決界面閃爍問題，同時也可避免數(shù)據(jù)丟失。實現(xiàn)流程如下：

(1)在LCDConf_Lin_Template.c文件中開啟三緩沖，定義緩沖區(qū)個數(shù)；在主函數(shù)中調(diào)用WM_MULTIBUF_Enable(1)進行使能。

(2)配置三緩沖功能：

GUI_MULTIBUF_ConfigEx(i,NUM_BUFFERS); //設(shè)置三緩沖區(qū)

GUI_DEVICE_CreateAndLink(DISPLAY_DRIVER, COLOR_CONVERSION,0,0);//創(chuàng)建顯示驅(qū)動器件

LCD_SetDevFunc(i,LCD_DEVFUNC_COPY-BUFFER,(void(*)(void))_LCD_CopyBuffer); //定義Copy函數(shù)

(3)函數(shù)GUI_MULTIBUF_BeginEx( )和GUI_MULTIBUF_EndEX( )分別實現(xiàn)繪制工作的開始和結(jié)束，且僅在后置緩沖區(qū)繪制；完成后，函數(shù)LCD_CopyBuffer( int LayerIndex, int IndexSrc, int IndexDst)將前置緩沖區(qū)暫存的內(nèi)容復制到顯示緩沖區(qū)，同時向LCD_X_DisplayDriver( )函數(shù)傳遞 LCD_X_SHOWBUFFER信息，讀取數(shù)據(jù)實現(xiàn)界面顯示，工作流程如圖7所示。

圖7 三緩沖工作流程

(4)當調(diào)用GUI_MULTIBUF_EndEX( )結(jié)束緩沖繪制時，數(shù)據(jù)內(nèi)容被復制到顯示緩沖區(qū)完成讀取顯示，為了防止出現(xiàn)撕裂效果，需在中斷處理程序中做相應處理，核心代碼如下：

intStatus = ELCDIF_GetInterruptStatus(LCDIF);

//獲得中斷狀態(tài)，響應中斷

ELCDIF_ClearInterruptStatus(LCDIF,intStatus);//清中斷

if (intStatus & kELCDIF_CurFrameDone){

if (s_LCDpendingBuffer >= 0){

ELCDIF_SetNextBufferAddr(LCDIF, addr);//將顯示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)顯示出來

GUI_MULTIBUF_Confirm(s_LCDpendingBuffer);//確認前置緩沖區(qū)可見并立即調(diào)用

s_LCDpendingBuffer = -1;

}

}

采用該方法后，在使用過程中界面切換、刷新流暢，沒有出現(xiàn)屏幕閃爍的情況。

此外，與重繪整個界面相比，局部重繪可以降低界面負載和刷新延遲。函數(shù)WM_InvalidateRect(hWin, &Rect)對指定矩形區(qū)域Rect進行無效處理，然后調(diào)用 WM_Paint( )對該區(qū)域進行重繪。

3 結(jié)論

本文對數(shù)控系統(tǒng)人機界面采用面向?qū)ο笈cUML建模技術(shù)相結(jié)合的方法，分析了該人機界面的功能需求、組織結(jié)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系和控制流程，構(gòu)建了基于動靜態(tài)模型的系統(tǒng)框架，為開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了建模方法和功能框架。

采用三緩沖技術(shù)解決了開發(fā)過程中出現(xiàn)的界面閃爍問題，有效提高了界面切換的流暢度，取得了良好的效果，為涉及大量圖像數(shù)據(jù)的界面開發(fā)工作提供一個有效的解決方式，具有重要的實際意義。