Применение в учебном процессе современных средств разработки систем реального времени

Введение

К числу систем реального времени (РВ) могут относиться как встраиваемые системы, так и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) на факультете электронной техники и приборостроения обучение разработке современных встраиваемых систем и АСУ ТП ведётся на основе программно-технических комплексов и физических моделей объектов управления с использованием средств создания систем реального времени.

Разработка встраиваемых систем

Основой большинства сложных встраиваемых систем являются операционные системы (ОС) жёсткого РВ: LynxOS-178, VxWorks AE-653, Microware OS-9, OC2000, QNX Neutrino [1]. Для изучения особенностей разработки встраиваемых систем и управления жизненным циклом программного обеспечения разработана программно-аппаратная среда (ПАС) с использованием ОС QNX Neuntino и OC2000. Структура программных средств ПАС показана на рис. 1.

Объектом управления ПАС является мобильный робот (МР), который может взаимодействовать с другими МР и со стационарным центром управления и мониторинга (рис. 2). В состав МР входят: мобильная платформа МП-С2301 (рама с двумя колёсами и мотор-редукторами), cервоусилитель MoviServo 1.3, два энкодера, 8 инфракрасных дальномеров Sharp GP2D15, датчик угловой скорости CRS03-02S, трёхосевой акселерометр MOD-MMA7260Q, интернет-камера DCS-950 (на рис. 2 не показана), беспроводная точка доступа DWL-G700AP, распределённая система ввода-вывода I-7000 (I-7520, I-7017, I-7050D), управляющий компьютер на базе Intel 440MX Entry-level Communication Appliance с операционной системой QNX Neutrino (на рис. 2 не показан) или контроллер NI Single-Board RIO 9631.

Разработка системы управления МР начинается с определения требований к ней. Для хранения сформулированных требований и их изменений в процессе разработки системы управления МР используется программный пакет Requisite Pro.

Требования передаются в среду визуального моделирования Rhapsody, которая обеспечивает модельно-управляемую разработку (Model Driven Development – MDD) программного обеспечения для встраиваемых систем. При моделировании одновременно выполняется автоматическая кодогенерация для С, С++, Java. Rhapsody позволяет протестировать текущие результаты создания программного обеспечения на любом этапе процесса разработки (от анализа требований до готовой встраиваемой системы) и сократить общее время разработки системы управления МР. Rhapsody поддерживает инструменты конфигурационного управления (Subversion, CVS и др.).

Интегрированная среда разработки QNX Momentics IDE не только обеспечивает разработку, компиляцию, отладку приложений встраиваемых систем для работы в операционной системе QNX Neutrino, поддерживающей аппаратные платформы MIPS, PowerPC, StrongARM, xScale, SH-4, x86, но и выполняет анализ производительности и системное профилирование. Она позволяет проанализировать взаимодействия процессов и потоков, эффективность обработки прерываний, то есть поведение системы в целом в условиях критического лимита времени [2].

Во встраиваемых системах с начала 90-х годов до 2005 года происходил процесс перехода с 8-битовой архитектуры к 32-битовой. При этом количество строк кода возросло от нескольких десятков до нескольких тысяч и продолжает расти при незначительном увеличении штата разработчиков и стоимости разработки. Для устранения этого противоречия в среде визуального моделирования Rhapsody применяется методика модельно-управляемой разработки MDD. Методика MDD позволяет существенно увеличить скорость разработки и надёжность программного обеспечения. Возросшие возможности аппаратных средств и применение MDD обеспечивают повышение эффективности создания встраиваемых систем (рис. 3).

Методику управления жизненным циклом программного обеспечения Harmony (компания Telelogic) для разработки системы управления МР иллюстрирует рис. 4. Эта методика реализована в среде визуального моделирования Rhapsody на основе нотаций UML 2.1 и SysML. Для разработки программной модели системы управления МР в Rhapsody разработаны следующие диаграммы: диаграмма прецедентов, структурная диаграмма, диаграмма последовательности и диаграмма состояний.

В диаграмме прецедентов (вариантов использования – ВИ) определены рамки системы, ВИ и их взаимосвязи между собой и с внешними подсистемами («актёрами»). Каждый из ВИ формируется на основе требования и описывает в виде вербальных алгоритмов часть функциональности системы. ВИ воз-вращает результат своей работы «актёрам», не раскрывая деталей внутренней реализации этой функциональности [3]. Диаграмма прецедентов МР показана на рис. 5.

В структурной диаграмме из прецедентов формируются подсистемы в виде программных объектов и описываются порты взаимодействия этих объектов и внешних подсистем. На рис. 6 показаны подсистемы МР и порты, обеспечивающие их взаимодействие. Порт определяется интерфейсами, которые предоставляются или запрашиваются через него. 

Такой подход к моделированию позволяет связывать между собой только совместимые элементы и проводить анализ целостности вариантов использования, что важно при проектировании архитектуры и разработке компонентов. Каждая из подсистем детализируется, в результате чего появляется необходимое для полного описания системы управления количество классов. Активные классы порождают программные потоки. Совокупность классов является статическим описанием про-граммной модели системы управления МР.

Для описания динамического поведения системы управления МР использована диаграмма последовательности. В диаграмме последовательности объекты связываются сообщениями и событиями. Сообщения из диаграммы автоматически создаются в соответствующих классах как методы. При разработке диаграммы последовательности выделяются состояния, в которых находятся программные объекты. Эти состояния подробно описываются в диаграмме состояний для каждого класса. На рис. 7 показана диаграмма последовательности и диаграмма состояний для класса Motor_Control.

Диаграммы состояний используют формальное представление конечных автоматов. Эта диаграмма расширяет классическое представление конечных автоматов Мили-Мура за счёт использования: 1) вложенных состояний в форме иерархии, 2) AND-состояния для определения логической независимости и взаимосовмещаемости, 3) псевдосостояний для описания специфики динамической семантики.

Полученная модель системы управления МР одновременно содержится в виде исходного кода в инструментальной среде разработки QNX Momentics IDE, где выполняется компиляция проекта. Для обеспечения верификации и валидации модели Rhapsody позволяет симулировать скомпилированный программный код, отображая на диаграммах конечных автоматов изменения состояний объектов и протоколируя обмен событиями между объектами в диаграмме последовательности. Полученные при моделировании диаграммы последовательности с помощью инструмента DeffMerg сравниваются с соответствующими диаграммами последовательности, разработанными на этапе проектирования системы управления МР, и позволяют выявить несоответствия исходным требованиям.

Для верификации программного кода используется система Rhapsody Automatic Test Generator (ATG). Она автоматически генерирует все возможные комбинации входных данных для покрытия условий и ветвей программного кода (Modified Condition/Decision Coverage – MC/DC) в соответствии с ГОСТ Р 51904-2002 «Программное обеспечение встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию» (российский аналог международного стандарта DO-178В Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification).

Применение среды моделирования Rhapsody повышает эффективность разработки системы управления МР. Полученная программная модель системы управления обеспечивает её лёгкую адаптацию к различным областям применения (патрулирование территории, экологический мониторинг, разведка местности) с учётом их специфических требований к функционированию и дополнительным аппаратным средствам.

Разработка АСУ ТП

Повышение эффективности изучения студентами технических вузов математических моделей и методов управления технологическими процессами (ТП) основано на совместном использовании виртуальных и физических объектов управления. Для этого на факультете разработан программно-технический комплекс (ПТК). При разработке ПТК учитывался опыт кафедр микроэлектроники Самарского аэрокосмического университета, процессов и аппаратов химической технологии Московского государственного университета инженерной экологии [4] и автоматизированных систем управления тепловыми процессами Московского энергетического института. В учебном процессе при разработке АСУ ТП используются программное обеспечение Autodesk Inventor 2009 и фирмы EPLAN, а также оборудование компаний Rittal и DKC.

В состав ПТК входят лабораторные стенды, которые представляют собой физические модели объектов автоматизации:

1. модель теплицы, управляемой логическим модулем LOGO! компании Siemens (рис. 8);
   
   

2. модель дискретного (конвейерная линия с позициями обработки) и непрерывного (камера с изменяемым нагревом и уровнем освещённости) объектов управления на основе контроллера SIMATIC S7-224XP компании Siemens (рис. 9);
   
   

3. модель роботизированного технологического комплекса, состоящая из манипуляционного робота и транспортёра компании Fischertechnik, и модель смешивания жидкостей на основе контроллера SIMATIC S7-315F компании Siemens (рис. 10);
   
   

4. модель смешивания жидкостей на основе промышленных датчиков и контроллера Premium TSX57 104M компании Schneider Electric;

5. модель камеры с управляемым нагревом и уровнем освещённости на базе контроллера I-7188D/DOS/512 и SCADA-системы Trace Mode 6 [5];

6. модель «умный дом» на базе контроллера WAGO I/O 750-841 и ПЛК 150 компании ОВЕН.

Студенты изучают особенности разработки систем противоаварийной защиты на базе контроллера S7-315F и методики Safety Integrated в соответствии со стандартом IEC 61508, который охватывает все электрические, электронные и контроллерные системы, используемые для реализации функций, связанных с безопасностью [6].

Оценка надёжности сложных систем

Вопросы моделирования и расчёта вероятностных характеристик надёжности встраиваемых систем и АСУ ТП студенты изучают на основе программного комплекса (ПК) «Арбитр». ПК «Арбитр», разработанный ОАО «СПИК СЗМА», содержит специальное графическое средство представления структур систем – схему функциональной целостности (СФЦ) [7].

С помощью аппарата СФЦ могут представляться как типовые монотонные структурные модели (блок-схемы, графы связности, деревья отказов, деревья событий), так и новый класс немонотонных структурных моделей надёжности и безопасности систем. ПК «Арбитр» позволяет строить модели надёжности структурно-сложных системных объектов и процессов на основе общего логико-вероятностного метода для расчёта надёжности, стойкости, живучести, риска и безопасности структурно-сложных систем.

Анализ надёжности МР, СФЦ которого состоит из 37 вершин (рис. 11), позволил определить причины отказов (автоматически построить деревья отказов) и найти наиболее эффективные пути повышения надёжности [8].

Заключение

Разработанные программно-технические комплексы и физические модели объектов управления применяются при обучении студентов 2–5 курсов по дисциплинам «Основы теории управления», «Технические средства интеллектуальных систем», «Теоретические основы автоматизированного управления», «Микропроцессоры в системах управления», «Надёжность, эргономика и качество АСОИУ», «Программно-аппаратные комплексы интеллектуальных систем», «Проектирование АСОИУ», «Системы реального времени», «Современные технологии программирования» и «Современные инструментальные средства проектирования систем». Такой подход позволяет студентам облегчить понимание изучаемого теоретического материала и получить практические навыки разработки современных встраиваемых систем и АСУ ТП.

Представленные программно-аппаратная среда и программно-технические комплексы, а также программный комплекс «Арбитр» являются платформой для изучения передовых информационных технологий моделирования и разработки сложных систем управления реального времени и обеспечивают подготовку высококвалифицированных специалистов, востребованных на рынке труда.

Полученные на факультете электронной техники и приборостроения СГТУ результаты стали возможны при технической поддержке и реализации образовательных программ компаний Siemens, Schneider Electric, ОВЕН, ПРОСОФТ, Rittal, AdAstra, SWD Software, Eplan, IBM, СПИК СЗМА. ●

Литература

1. Операционные системы реального времени для авионики: обзор [Электронный ресурс] / ИТМиВТ РАН им. С.А. Лебедева. – Режим доступа : http://www.ipmce.ru/about/press/popular/rdc news05052008/.

2. Зыль С.Н. QNX Momentics. Основы применения. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005. – 256 с.

3. Douglass B. Real-Time UML Workshop for Embedded Systems [Электронный ресурс] / SWD Software. – Режим доступа: http://www.swd.ru/Press_Ready/Douglass Book.pdf.

4. Сидельников И.И. Комплексная лабораторная установка, автоматизированная при помощи приборов ОВЕН // Автоматизация и производство. – 2006. – № 1. – C. 28–29.

5. Петров Д.Ю. Применение Trace mode в учебном процессе // Материалы ХIII междунар. конф. TRACE MODE. – М., 2007. – С. 78–83.

6. Федоров Ю.Н. Основы построения АСУ ТП взрывоопасных производств: [в 2 т.]. – М. : СИНТЕГ, 2006. Т. 1: Методология. – 720 с.

7. Программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчёта надёжности и безопасности систем АРБИТР (ПК АСМ СЗМА), базовая версия 1.0 [Электронный ресурс] / СЕВЗАПМОНТАЖАВТОМАТИКА. – Режим доступа : http://www.szma.com/pkasm.shtml.

8. Назаров А.А., Петров Д.Ю., Рыбко В.В. Оценка надёжности функционирования мобильного робота // XXII междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22)»: сб. трудов/ под общ. ред. В.С. Балакирева. – Псков, 2009. – Т. 8 – С. 174–177. 

E-mail: iac_sstu@mail.ru