ESE 模块0 嵌入式系统 常规理论知识 Embedded System Engineering 2021-03-10

在本节中将深入了解机电一体化一词，主要介绍嵌入式系统（基本以微控制器解决方案为主）的含义和所选的工程技术。

机电一体化系统

与机械工程和电气工程以及电子和计算机科学相比，机电一体化是一个非常年轻的学科。该技术领域的出现是由于1980年代出现的现代系统的结构。在此之前，机械，电气，电子，光学，气动和液压系统之间存在非常明显的区别。这也反映在培训中。人们经常仍然遇到“纯”系统，例如完全机械的解决方案。长期以来由于机-电系统的缘故，机-电已被视为独立的专业领域。但是电子和计算机科学越来越多地渗透到所有现代系统设计中。 以德国为例，在1990年代已经意识到，将汽车电气，电子学和机械学之间直接分离已经不再实用。今天不再有汽车电工或汽车修理工，而是车辆机电一体化工程师。 汽车机电系统只是一个例子。这种趋势可以转移到所有现代系统中。从那时起，技术领域的这种相互渗透的发展就大大加快了。如今机电一体化系统日益联网并集成到Internet中，因此我们现在谈论网络物理系统。物联网，数字化，工业4.0，智能家居，智能城市等最终对于同一对象是不同的观点。现代系统是来自各个专业领域的重叠子系统的复杂结构。这些系统方法只能在各个专业领域的相互作用中发挥作用，并实现全新的质量特征。

在这方面，专业领域起着特殊的作用。可以观察到现代系统解决方案的功能向软件领域（从软件领域）的转移（转移/依赖性/ …）的增加。

嵌入式系统

在现代机电系统中起着中心集成作用的微型计算机可以大致分为两类。一方面，中央控制解决方案通常可以通过显示器的存在，也许还可以通过键盘或其他计算机典型的输入和输出设备的存在来识别微型计算机（计算机）。另一方面，经常有分散的，隐藏的，嵌入式的微型计算机，这些微型计算机的存在无法被系统的查看者看到。这种嵌入式微型计算机通常是所谓的微控制器。微控制器是一类特殊的微计算机；也称为单片机。使用微控制器，功能计算机的所有元素（算术单元，控制单元，存储器，输入和输出设备等）都集成在集成电路（芯片）上。这意味着将微控制器集成到系统中所需的电路极少。因此，微控制器可以非常容易地嵌入系统中。

复杂性

实际上软件工程的所有方面都针对复杂性的可管理性。我对复杂性问题都很敏感。我们做一项实验。依次查看以下插图（请先遮盖右图）。每张图片不要超过3秒说出火柴的数量。这就是与感知和理解有关。

左边图片不能很快的在三秒钟之内给出正确的数量。再看右边的实验图，不到三秒钟的时间就可以准确说出数量。但只有在第二张图片中可以马上读出数值。这是为什么？专业说是结构化，一方面，确保安排的类型。另一方面是提供了一种熟悉的模式—符号。 

通过使用抽象的统一符号来表示数字事实，可以轻松地进一步开发此实验。统一表示数字的方式意味着使复杂性易于管理。这恰恰是软件开发的挑战。匹配项是单独的程序行，是整个应用程序的图片。掌握两者都很重要。该方法通过标准化符号引导，这些符号根据语言规则进行结构化和组合在一起以形成复杂的语句。使用UML创建软件的标准化结构图。 施工图对于制造复杂系统至关重要。

机电系统的建设计划

到目前为止，机电一体化系统具有以下特征：

机械零件

液压和气动组件

电气元件

电子元器件

和软件组件组成一个完整的系统

这些专业领域中的每一个都使用特定的工程技术，尤其是特定的标准化施工图。 例如：

根据机械结构图 ISO 128-1, -2, -3, -71, -100, 129-1, 7200:2004, 5455, 5456-2, 16792, …

根据ISO标准的液压和气动施工图…

符合ISO标准的电气/电子构造图…

   

软件蓝图

机电系统的软件也应使用适当的工程技术来生产和记录。 正如经典工程有许多规范和标准一样，软件开发也有许多规范和标准。 ISO 19505，也称为UML，在此过程中应发挥特殊作用。 应该使用一些基本的UML表示技术来设计，实现和记录软件。 在整个UML库存中，我们将特别使用以下显示技术：

用例图阐明软件应该做什么（顶层要求）

活动图以阐明软件应如何工作（功能要求）

用于构建和记录软件的类图

构造和记录软件逻辑的状态图

序列图记录了各个的算法

SysML系统建模的作用

作为最后一个组件，ISO 19514 SysML应该完善我们的工程技术目录。 SysML（系统建模语言）是此处介绍的最新工程技术。它的开发给人的印象是需要一种跨学科的建模语言，该语言涵盖机械，电气，电子，液压，气动和软件领域。没有一种特定于领域的构造语言能够在一个模型中整体映射现代机电一体化系统。 SysML在这里提供了一种补救措施。它替代了以前的非标准化概览显示，例如框图，关系图，层次图等。SysML为跨学科方面的展示提供了标准化框架。 SysML从UML（SysML作为UML概要文件）采纳了许多建议。因此，我们将看到UML和SysML之间有很多相似之处。在SysML中，我们将在本课程中使用以下显示技术：

用例图阐明系统应该做什么

块定义图，以阐明系统由哪些组件组成

内部块定义图，以阐明组件如何协同工作

课程目的和结构

该嵌入式系统工程课程旨在发展参与者的广泛跨学科理解和知识，并开发用于实施嵌入式系统的实践技能。 该课程的具体内容：

对现代系统的机电单元和网络物理结构有基本的了解

软件在现代系统中的作用

对嵌入式系统结构的基本了解

提高对所有领域高水平工程需求的认识

使用UML和SysML进行建模的知识和技能

使用UML和C ++实现微控制器解决方案的知识和技能

提高对正确文档和现代系统重要性的认识

课程的软件过程

软件过程是活动的定义顺序、商定的规则、技术、工具以及活动的预期结果，以生产软件。定义的软件过程可确保软件制造中结果的可计划性，可控制性和质量。以下简单的软件过程作为本课程学习的工作流程。 

各个活动具有以下预期结果：

需求分析

用户视图作为用例图（作为SysML / UML模型）

所需功能作为活动图（作为SysML / UML模型）

测试用例（作为文档）

HRM硬件资源模型（作为SysML模型）

SRS系统要求规范（作为文档）

系统设计

概念级别/体系结构模型的类模型（作为UML模型）

如有必要，建立状态模型（作为UML模型）

系统文档（作为文档）

执行

实现的类模型（作为UML模型）

实现的行为模型（作为UML模型）

生产代码（作为目标平台的可转移格式* .hex，* .elf）

系统文档（作为文档）

系统整合

完整的系统

测试和移交

经过测试的系统

技术系统文档（作为文档）

用户文档（作为文档）