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嵌入式系統的開(kāi)發(fā)是一個(gè)軟硬件協(xié)同設計過(guò)程，它需要不同技術(shù)背景的人共同開(kāi)發(fā)．而傳統的嵌入式軟件分析與設計方法嚴重脫節，開(kāi)發(fā)過(guò)程沒(méi)有—個(gè)確定的統一的標準，這使得產(chǎn)品形成的每一個(gè)過(guò)程人為因素影響嚴重．此外，分析設計的結果不能在開(kāi)發(fā)類(lèi)似項目或產(chǎn)品時(shí)重用．以上幾個(gè)問(wèn)題成為多年來(lái)制約嵌入式系統發(fā)展的主要瓶頸，使得大部分嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)工作變得十分困難甚至無(wú)法進(jìn)行。 作為面向對象建模技術(shù)的標準，UML適合于將復雜的系統設計問(wèn)題簡(jiǎn)單化．它采用面向對象圖形的方式對系統進(jìn)行描述，支持從分析、設計到建模的全過(guò)程．按照UML規范，使用CASE工具Rational Rose對嵌入式系統建模，不僅可以使系統分析設計實(shí)現標準化，而且將UML分析建模的構建方法和相應的集成和測試策略結合在一起，完全可以實(shí)現系統分析、設計和制作、測試分別由不同的項目成員在統一、一貫的方式下完成，這將會(huì )使高質(zhì)量的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)變得更為容易。 1 指紋門(mén)禁系統需求分析 目前，將指紋識別技術(shù)應用到各種需要身份驗證的系統或者嵌入到原有的大量保安系統，會(huì )大大提高系統的安全性和便捷性．本文中，設計了一個(gè)嵌入式指紋門(mén)禁系統，它使用指紋識別技術(shù)來(lái)驗證用戶(hù)身份，并提供了一套完整的軟硬件來(lái)實(shí)現門(mén)禁系統的日常管理．主要包括：用戶(hù)信息注冊、刪除、查詢(xún)、指紋比對、門(mén)禁控制和監視以及日志管理等． 針對嵌入式指紋門(mén)禁系統的復雜性，在本系統的開(kāi)發(fā)中，按照UML規范，采用基于UML的嵌入式軟件分析與建模方法，使用CASE工具 Rational R0 繪制了各種模型圖，從不同的層次和角度為系統的分析、設計、驗證以及實(shí)現過(guò)程提供支持，詳細討論了如何使用UML輔助完成整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)。 1．1 系統功能需求 建模過(guò)程首先應該從系統中的類(lèi)開(kāi)始，為了理解類(lèi)的結構，需要對系統及其工作過(guò)程做一個(gè)總體陳述．經(jīng)分析，該系統包含一個(gè)電動(dòng)門(mén)、一個(gè)指紋傳感器、一個(gè)微處理器、一個(gè)存儲指紋庫的存儲系統、一個(gè)數字鍵盤(pán)、一個(gè)十字型按鍵、一個(gè)液晶顯示屏、一個(gè)電動(dòng)門(mén)以及兩個(gè)狀態(tài)燈．系統從指紋傳感器中獲取指紋數據，并在微處理器中進(jìn)行預處理和特征提取，獲取指紋的生物代碼信息，并與指紋庫中注冊用戶(hù)的指紋模板進(jìn)行匹配算法的驗證，并輸出結果，通過(guò)狀態(tài)燈顯示，同時(shí)根據匹配結果發(fā)送控制信號控制門(mén)的開(kāi)關(guān)．通過(guò)對系統及類(lèi)做進(jìn)一步分析可得到系統總的類(lèi)圖如圖1所示．通過(guò)這幅圖我們可以得知系統中所包含的基礎類(lèi)及其相互之間的關(guān)系，為后文動(dòng)態(tài)模型的建立奠定了基礎。 圖1 指紋門(mén)禁系統類(lèi)圖 1．2 用例說(shuō)明 通過(guò)對系統的需求分析，我們確定了該系統需要實(shí)現的功能．那么如何形象化地描述這些功能，以便使我們更好地與用戶(hù)溝通，更準確地了解他們的需求呢?這就要使用UML的用例模型．在UML中，用例可以被描述為參與者與系統之間的一次交互作用．每一個(gè)用例都是一種不同的使用系統的方法，都會(huì )產(chǎn)生不同的結果．而角色是與系統交互的對象，它是使用該系統的人或者其它系統．用例圖列出了用戶(hù)最想要的功能以及每個(gè)功能的描述．經(jīng)分析，本系統的用例圖如圖2所示。 圖2 指紋門(mén)禁系統用例圖 從圖中我們可以明確地了解到系統的功能需求．該系統主要有兩類(lèi)用戶(hù)：普通用戶(hù)和管理員．“啟動(dòng)系統”用例表明系統初始化時(shí)要進(jìn)行傳感器和微處理器等的自檢．進(jìn)入正常工作狀態(tài)以后，普通用戶(hù)可以通過(guò)“身份驗證”用例進(jìn)行指紋驗證．如果是未注冊用戶(hù)則在獲得合法II)的前提條件下，通過(guò)“注冊”用例注冊自己的相關(guān)信息．系統提供的“開(kāi)／關(guān)門(mén)”用例則主要是根據指紋匹配結果，通過(guò)信號線(xiàn)將控制信號傳輸給門(mén)的驅動(dòng)電動(dòng)機以此來(lái)控制門(mén)的開(kāi)關(guān)．管理員主要負責系統維護，可以使用 “注冊”、“查找”和“刪除”等用例進(jìn)行信息管理操作．由于在該階段我們對系統還沒(méi)有充分理解，同時(shí)為了控制用例的數目，在這里我們只是給出了系統的總體用例模型，在隨后的詳細設計階段我們可以對這些用例進(jìn)行進(jìn)一步的細化以精化系統的需求。 2 指紋門(mén)禁系統設計 需求分析完成以后，可以依據分析結果和所建立的模型圖進(jìn)一步指導系統的設計．系統設計主要包括了用例詳細設計、類(lèi)設計、數據模型設計等。 2．1 用例詳細設計 詳細設計階段需要對系統需求中的每個(gè)用例進(jìn)行詳細的分析，并以一種通用的表示來(lái)文檔化，以便使開(kāi)發(fā)人員更清晰得了解每個(gè)用例的具體實(shí)現過(guò)程 ．本文以指紋驗證用例為實(shí)例，對該用例進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細分析，它包含了指紋采集、預處理、圖像增強、細化、二值化處理、特征碼提取、比對、結果輸出等過(guò)程，這些過(guò)程都可以通過(guò)文檔清晰地表示．我們在描述系統用例時(shí)，是從用戶(hù)角度出發(fā)的，沒(méi)有涉及系統內部．通過(guò)分析得到滿(mǎn)足系統需求的類(lèi)之后，便可根據用例驅動(dòng)的思想，通過(guò)類(lèi)之間的交互來(lái)實(shí)現用例．嵌入式系統一般都要與硬件設備如傳感器等進(jìn)行交互，同時(shí)還有很強的時(shí)間和內存空間的約束．交互圖就是用來(lái)描述對象間的動(dòng)態(tài)交互行為的，它一步步地顯示了使用案例的流程．在UML中定義了兩種交互框圖：順序圖和合作圖．這兩種框圖顯示同一信息，但組織方式不同．順序圖按時(shí)間排序，依次顯示對象間進(jìn)行的操作；合作圖則以數據流為中心，顯示各個(gè)對象間的數據交換情況．由于順序圖能更好地說(shuō)明對象間的交互順序，有利于我們理解系統，所以本文以“指紋驗證”用例的順序圖(見(jiàn)圖3)為例來(lái)描述對象之間的交互過(guò)程．其它用例都可以采用此種方法來(lái)詳細說(shuō)明，以便我們更清晰地了解系統每個(gè)功能(用例)的具體實(shí)現過(guò)程。 圖3 指紋驗證用例順序圖 2．2 類(lèi)設計 UML規范按照類(lèi)職責不同將系統設計類(lèi)分為邊界類(lèi)、實(shí)體類(lèi)和控制類(lèi)．其中實(shí)體類(lèi)是系統運行的數據基礎類(lèi)，也是類(lèi)設計的核心部分．按照RUP的思想，采用名詞分析法對系統需求進(jìn)行分析，便可以得到大部分的實(shí)體類(lèi)．對于指紋門(mén)禁系統而言，指紋信息數據是系統的核心數據，同時(shí)，一些相關(guān)的管理信息也是實(shí)體類(lèi)的組成部分，主要有用戶(hù)信息、系統13志等等．在這里我們只對系統中兩個(gè)主要類(lèi)進(jìn)行分析，如下表格1，2所示 表1 指紋圖象FingerImage實(shí)體類(lèi) 表2 指紋特征FingeRFeature實(shí)體類(lèi) 2．3 數據庫模型設計 完成實(shí)體類(lèi)的分析與設計之后，可建立其數據庫模型．在本系統中采用 Pc機與嵌入式處理器之間的通信來(lái)管理相應的數據，因此PC機上數據管理系統的數據庫模型設計如下圖4所示．數據庫表組成包括注冊用戶(hù)管理、被鑒定人信息、指紋特征數據和日志管理，數據庫中表結構字段的描述與上文實(shí)體類(lèi)成員變量的結構是相對應的．例如：注冊用戶(hù)信息由RegisterUsers表組織，設置的字段有：用戶(hù)ID、姓名、用戶(hù)級別等；指紋圖像數據表Fin- gerimage設置的字段有：圖像名稱(chēng)、圖像保存路徑、圖像特征數、圖像寬度、高度等；指紋特征數據表FingerFeature設置的字段有：ID、注冊用戶(hù)指紋特征、被鑒定人指紋特征、指紋特征數等，完全可以滿(mǎn)足系統的需求．圖中其它各表的詳細數據項描述可根據實(shí)際的需要來(lái)設計，在此不作過(guò)多舉例說(shuō)明．各個(gè)表間的連線(xiàn)表示數據表約束，例如： RegisterUs-ers表和Worklog表之間的對應關(guān)系為一個(gè)注冊用戶(hù)可以對應多條日志記錄．同時(shí)，RegisterUsers表的主鍵用戶(hù) ID)是表WoALog的外鍵，圖中其他依賴(lài)關(guān)系表示含義相同。 3 指紋門(mén)禁系統實(shí)現與集成測試 通過(guò)反復迭代上述建模及模型驗證過(guò)程，便可建立起整個(gè)系統的正確模型．建模工作流完成以后便是系統的實(shí)現階段，此階段主要進(jìn)行下列工作： (1)實(shí)現平臺的選擇 ①硬件的設計與實(shí)現 本系統硬件平臺采用SAMSUNG公司的S3C2410開(kāi)發(fā)板設計實(shí)現，CPU用,S3C2410A ARM920T。 ②系統軟件的設計與實(shí)現 ARM應用軟件的開(kāi)發(fā)需要交叉編譯環(huán)境，而在Windows平臺下常用的ARM SDT調試器提供了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境]DE，可以在一臺Pc機上完成編輯、編譯、鏈接、下載和調試等工作．開(kāi)發(fā)工具安裝之后，可以用ARM Project Manager來(lái)生成一個(gè)自己的工程，并在A(yíng)RM Debuggefor Windows下進(jìn)行調試．因此，本系統的指紋圖像處理及匹配算法采用VC語(yǔ)言在IDE中實(shí)現。在系統編碼中，已成熟的指紋處理算法為系統的設計奠定了良好的基礎。 圖4 數據庫模型設計 (2)軟件編碼 建模的最終目的是為了得到可執行的代碼，因此在系統實(shí)現中很重要的一部分是軟件編碼．為此，在實(shí)現階段，需要選擇某種面向對象的編程語(yǔ)言來(lái)完成代碼部分的實(shí)現．本系統所有軟件代碼我采用vC語(yǔ)言在IDE中實(shí)現，數據庫采用SQL Server2000．由于本文中系統采用滿(mǎn)足UML規范的建模工具Rational Rose2003，可以很好地支持正，逆向工程，通過(guò)對類(lèi)和對象的詳細設計中的規范說(shuō)明信息，由代碼生成器可自動(dòng)生成可執行的代碼框架，開(kāi)發(fā)人員在此基礎上對代碼進(jìn)行修改大大提高了代碼編輯效率。 系統實(shí)現之后，在集成測試時(shí)可聯(lián)合使用所有的UML框圖認真分析每個(gè)構件的原理，針對每一個(gè)系統功能每一個(gè)可能發(fā)生的錯誤寫(xiě)出相應的測試程序，進(jìn)行完整而可靠的測試。 4 小結 本文詳細介紹了UML軟件分析與建模技術(shù)在— 個(gè)嵌入式系統開(kāi)發(fā)中的應用，使用Rose建立了該系統的完整模型，通過(guò)模型的建立對基于UML的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行了一些探索和研究．通過(guò)該實(shí)例的開(kāi)發(fā)，定性地說(shuō)明了UML的優(yōu)點(diǎn)以及它對嵌入式軟件開(kāi)發(fā)所能起到的良好的指導作用．但由于UML過(guò)于龐大和復雜，不同建模工具對該語(yǔ)言的側重方面也有所不同，本文是使用了Rational Rose2003完成了所有模型的設計，因此，所建模型在抽象層次等方面還存在一定不足，有待于進(jìn)一步驗證準確性及完整性．在實(shí)際開(kāi)發(fā)中可考慮使用多種建模工具對所建模型進(jìn)行比較，以精化、細化模型，從中選擇最優(yōu)模型來(lái)改進(jìn)系統設計方案．此外，在以后的開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，開(kāi)發(fā)環(huán)境應該選擇能夠支持直接的可執行的模型生成，并且支持基于實(shí)時(shí)框架的代碼生成，從而解決嵌入式軟件的可移植性問(wèn)題． |
