基于有限状态机理论的导航软件设计与实现
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摘要
捷联惯性导航系统的软件在导航系统中发挥着至关重要的承载和核心作用。在军事上,随着武器性能的不断提高,导航系统的规模变大,交互性更强,约束增多,结构也更复杂,传统的导航系统软件开发方法已经不能满足需要,因而必须寻求新的方法。有限状态机是描述和刻画实时嵌入式系统复杂状态行为的有力工具,是分析和设计导航系统软件的合理选择。
论文首先介绍了传统有限状态机的原理和不足之处,进而详细介绍了目前先进的Harel状态图原理及应用。
其次,把Harel状态图应用于导航软件的分析与设计,详细探讨了从导航软件的需求分析到实现方案的过程。论文以软件的需求分析为基础,逐步设计了软件设计的控制流程图、数据流图、接口设计和控制变量。运用面向对象的方法,构建了软件的用例图、顺序图和状态图,并总结了如何用状态图快速实现导航软件功能需求的方法。
再次,详细介绍了导航计算机板的硬件组成和中断分配,硬件和软件的初始化,软件的更新和升级,应用程序的调试与下载等软件实现的各个方面,并通过实验验证了导航软件。实验结果表明,该软件运行正常,稳定,达到了预期目的。
The software of strapdown inertial navigation system(SINS)is of great importance in SINS.In military,as the improvement of the performance of the weapons,the navigation system is becoming larger,more complicated,strongly restricted.As a result,the tradition method of the software development are not able to deal with it.New methods are in great need.Navigation system is a realtime embeded reaction system,hence,it can make use of the theory and experience of the embeded system.Finite state machine(FSM) is an effective tool to describe and depict the complicate state action of the realtime embeded system. So,FSM is a reasonable choice to analysis and design of the software of the navigation system.
The thesis first describes the theory of the tradition FSM and its shortcomings,and then it expatiates the theory of the advanced Harel diagram and its application in many fields.
Secondly,it applies the Harel diagram into the analysis and design of the navigation software,makes a comprehensive research on how to carry out the software from the requirement to the realization.It bases on the requirement of the software ,then gradually completes the design throught flow chart,data flow,interface design and crucial control viarables.It applies the OO(Object-Oriented)method to the design and construction of the use case view,sequence view and state charts.At last,it draws a conclusion on how to turn the requirement into state charts rapidly.
Finally,the thesis makes a detail description of the hardware of the navigation computer and the distribution of the interrupts with the combination of the DSP and Rhapsody.It also describes the initialization of the hardware and software,the update of the application program,the debug and download of the software,and so on.Experiments are carried out to testify the design.The result of the experiment demonstrates that the software runs well and steadily.
论文首先介绍了传统有限状态机的原理和不足之处,进而详细介绍了目前先进的Harel状态图原理及应用。
其次,把Harel状态图应用于导航软件的分析与设计,详细探讨了从导航软件的需求分析到实现方案的过程。论文以软件的需求分析为基础,逐步设计了软件设计的控制流程图、数据流图、接口设计和控制变量。运用面向对象的方法,构建了软件的用例图、顺序图和状态图,并总结了如何用状态图快速实现导航软件功能需求的方法。
再次,详细介绍了导航计算机板的硬件组成和中断分配,硬件和软件的初始化,软件的更新和升级,应用程序的调试与下载等软件实现的各个方面,并通过实验验证了导航软件。实验结果表明,该软件运行正常,稳定,达到了预期目的。
The software of strapdown inertial navigation system(SINS)is of great importance in SINS.In military,as the improvement of the performance of the weapons,the navigation system is becoming larger,more complicated,strongly restricted.As a result,the tradition method of the software development are not able to deal with it.New methods are in great need.Navigation system is a realtime embeded reaction system,hence,it can make use of the theory and experience of the embeded system.Finite state machine(FSM) is an effective tool to describe and depict the complicate state action of the realtime embeded system. So,FSM is a reasonable choice to analysis and design of the software of the navigation system.
The thesis first describes the theory of the tradition FSM and its shortcomings,and then it expatiates the theory of the advanced Harel diagram and its application in many fields.
Secondly,it applies the Harel diagram into the analysis and design of the navigation software,makes a comprehensive research on how to carry out the software from the requirement to the realization.It bases on the requirement of the software ,then gradually completes the design throught flow chart,data flow,interface design and crucial control viarables.It applies the OO(Object-Oriented)method to the design and construction of the use case view,sequence view and state charts.At last,it draws a conclusion on how to turn the requirement into state charts rapidly.
Finally,the thesis makes a detail description of the hardware of the navigation computer and the distribution of the interrupts with the combination of the DSP and Rhapsody.It also describes the initialization of the hardware and software,the update of the application program,the debug and download of the software,and so on.Experiments are carried out to testify the design.The result of the experiment demonstrates that the software runs well and steadily.
引文
[1] D.H.Titterton,J.L.Weston,捷联式惯性导航技术,中国船舶信息中心译.2001.12
[2] 吴向东.采用导航系统的战术导弹初始对准误差分离方法研究.现代防御技术,2000.6,第 3 期第 28 卷
[3] 刘志俭,胡小平,贺汉根.GPS 定资系统/导航系统组合技术研究.航天控制.2003,第 1期.
[4] 王忠,任苏萍,欧阳首承.高动态 GPS/INS 组合导航算法研究.系统工程与电子技术.2001,第 23 卷第 1 期.
[5] 饶滚金,徐海蓉.GPS 不能作为惟一的导航定位设备.世界海运.2003.6 第 26 卷第 3期.49-50
[6] 韩军海,谢玲,陈家斌.INS/GPS 组合导航方式及应用背景.火力与指挥控制.2002.10 第27 卷第 4 期.
[7] 熊崴,庄良杰,翁海娜,刘玉峰.INS/ESGM/Doppler 组合导航系统中的联合 Kalman 滤波方法.中国惯性技术学报.2001.3,第 9 卷第 1 期.
[8] 张宇飞,卢燕青.实时系统软件分析和设计方法综述.中国计算机报。2002
[9] 朱小莉,陈迪平,王镇道. VHDL 设计 Moore 型有限状态机时速度问题的探讨[J ] . 半导体技术,2002 ,27 (4) :48 - 51.
[10] M.Martin and C.McClure, Diagramming Techniques for Analysisand Programmers (Prentice-HALL,Englewood Cliffs,NJ,1985).
[11] 张家海,胡虹,胡恒章.组合导航软件可靠性的评估.哈尔滨工业大学学报.2003.03.第 35 卷第 3 期.319-322
[12] 杜建华,刘哲中.惯性系统嵌入式软件的工程化管理.中国惯性技术学报.2004.12.第12 卷第 3 期 20-23.
[13] 周全,窦振中,孙传群,李永.为嵌入式软件建立统一软件框架的方法.2002.9 电子产品世界.17-18
[14]TMS320VC33 DIGITALSIGNALPROCESSOR.pdf,TEXAS INSTRUMENTS .2004
[15] 贾建强,陈卫东,席裕庚.基于有限状态机的足球机器人行为设计与综合.高技术通讯,2004.4
[16]李俊杰.有限状态机在蓝牙技术上的应用.华中科技大学硕士论文.2003
[17]黄海林,沈绪榜.基于有限状态机的 UART 设计.微电子学与计算机.2002 年第 12 期52-55
[18]贾燕,王润孝,朱焕亮,张吉楠.基于有限状态机的供应链订单处理流程研究. 工业工程于管理,2003 年第 1 期.62-65
[19]刘秀罗,黄柯棣,朱小俊.有限状态机在 CGF 行为建模中的应用.系统仿真学报.2001 年第 5 期 663-665
[20] 何伟,金鑫,金远平,层次状态自动机可复用应用框架,2005 年全国单片机与嵌入式系统学术交流会论文集.
[21] 嵌入式系统的微模块化程序设计—实用状态图 C/C++实现.敬万钧,陈丽蓉译,北京航空航天大学出版社.[美]Miro Samek Ph.D.
[22] W.Reisig,Petri Nets:An Introduction(Springer,Berlin,1985).
[23] 张宇飞,卢燕青.实时系统软件分析和设计方法综述.中国计算机报。2002
[24] R.j.k.Jacob,Using formal specifications in the design of a human-computer interface,Comm.ACM 26(1983)259-264.
[25]D.L.Parnas,On the use of transition diagrams in the design of a user interface for an interactive computer system,Proc.ACM Conference(1969)379-385
[26]S.Feyock,Transition diagram-based CAI/HELP system,Internat.J.Man-Machine Studies 9(1977)399-413.
[27] 董威.面向 UML 的模型检验研究.国防科学技术大学博士论文.2002.10
[28] M.D.Edwards and D.Aspinall,The systhesis of digital systems using ASM design techniques,in:T.Uehara and M.Barbacci,Eds.,Computer Hardware Description Languages and their Applications(North-Holland,Amsterdam,1983)55-64.
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[30]A.S.Tanenbaum,Computer Networks(Prentice-Hall,Englewood Cliffs,NJ,1981).
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[36] QF-C Programmer’s manual.PDF,2006.2.www.quantum-leaps.com
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[38] 肖熊芳,熊光泽,芦东昕,谢鑫.一种面向对象嵌入式软件开发平台的设计与实现.2003.12 第 23 卷。341-343
[39] Jerome L.Krasner,Ph.D.UML for C Developers .www.embededforcast.com.2005,4.
[40] code composer user’s guide.pdf.Texas Instruments, 1999
[41] Am29LV800B.pdf, Advanced Micro Devices, Inc.,2000
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[48]徐烽,曲全福,徐晓明,章永生,胡赛棣.嵌入式 PC/104 主板在惯性导航系统中的应用.中国惯性技术学报.2001.6 第 9 卷第 2 期.
[49]陈兵舫,张育林,赵华丽.组合导航系统时间不同步对 INS 初始对准的影响.中国空间科学技术.2001,10.第 5 期.
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[51]S.Feyock,Transition diagram-based CAI/HELP system,Internat.J.Man-Machine Studies 9(1977)399-413.
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[57]黄丽斌、王寿荣、蔡体箐,基于 DSP 的微惯性导航系统软件设计.南京惯性技术学术交流会论文集.[C].南京.2001
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