基于元模型的复杂测试系统虚拟样机构建

基于元模型的复杂测试系统虚拟样机构建

胡晓将

贵州航天风华精密设备有限公司

摘要：复杂测试系统作为机电一体化产品，专业分散，研制过程中经历阶段多，即便是改进型研制周期长，问题发生频繁，问题发生时机往往在产品生产过程中，导致问题处理周期长。传统研制手段，采用继承+改进的方式，设计师存在消化传统和新技术不充分，本文结合数字化技术、航空电子模块化综合系统设计理念，提出基于元模型的电子系统建模方法，提前发现问题，提高产品设计质量。

主题词：数字化 元模型 质量

0引言

复杂测试系统作为机电一体化产品，专业分散，研制过程中经历阶段多，即便是改进型研制周期也相当漫长，以往实际周期也较长。而且作为传统研制手段，采用继承+改进的方式，设计师存在消化传统和新技术不充分，生搬硬套，导致老传统与新技术衔接不匹配，造成设计问题频发，并且问题往往到半实物仿真、实物对接，甚至产品总装测试过程中才被发现，技术归零、整改工作耗费大量的人力、物力。以产品测试对接为典型案例，瞄准后续产品通用化快速设计需求，融合数字化技术、航空电子模块化综合系统[1]等设计理念，提出基于元模型的电子系统建模方法，将产品、测试系统视为通用电子设备，将产品虚拟化、数字化，构建复杂电子系统虚拟平台，完成电子设备电气接口、通信接口、信号传输接口虚拟，形成标准系统建模方法，由各个分系统、测试组合承制单位在设计过程中进行模型构建，最终形成虚拟产品和虚拟测试系统。

1基于元模型系统建模理论

基于元模型系统建模技术由领域专家对特定领域进行分析、抽象，得到该领域的共性和变化特征，通过统一系统建模语言类图定义该领域系统建模语言的语法和语义，建立该领域的元模型。其用抽象的方式定义了一种系统建模语言的构件及它们之间的关系、约束和系统建模规则，是对模型的更高级别的抽象，是关于模型的模型，对如何建立模型定义、模型间集成和互操作等信息进行描述，元模型与模型之间是类与实体之间的关系，每个模型都是元模型的一个实体，即通过元模型建立模型，在经过模型建立“域”基于元模型的系统建模并不直接对系统进行系统建模，而先建立用于刻画该领域的元模型，而后更具特定的系统应用需求，再有元模型针对特定的应用系统是针对某个领项，搭建系统的整体模型。元模型包括以下5个要素。

a)元模型类型

领域专家根据特定领域特征，对构成该领域的基础实体进行高度抽象，根据不同的实体特征定义该领域的元模型类型，具有独立的类型名称、功能、方法和属性，对于典型的产品模块划分，如天线接口、射频接收与激励、信号处理、系统控制、网络交换等元模型类型。

b)元模型属性

为元对象不可缺少的 属性，可以通过进一步抽象模型的属性获得。如射频接收单元模型，属性包括接收通道数量、接收频段、编码需求、通信接口、时序(逻辑)等。

c)元模型交互关系

主要对系统中不同实体见的关联关系进行抽象秒速，包括元模型对外交互设计的输入、输出信号类型、数量、属性等多重因数。

d)元模型约束条件

主要为元模型建立中考虑的基本约束条件，不同类型的元模型约束条件不同，如信号处理模块中的CPU主频、内存大小、通信延迟，通信的波特率、字节数、工作体制等。

2 测试系统建模

以产品-测试系统构建的关联系统为例，将产品视为一个独立单元，与测试系统之间产生的交联关系主要涉及供电传输、低频通信、微波通信、低频控制与采集，对产品-测试系统构成的复杂系统按从顶向下、模块化、通用化原则进行领域划分，按照从底向上进行元模型构建，依次构建基础元模型、模块元模型、系统元模型。

2.1构建基础元模型

根据功能，划分出测试系统的5类基本的基础实体类型，分别对其进行抽象，建立元模型，分为端口、链路、功能单元、组件、功能线程。其中端口、链路、功能单元为不可划分单元，以此为基础搭建组件(模块)元模型、系统模型。基础元模型作用及构件如下：

a)端口元模型

对测试系统的物理端口，即对组合(模块)之间、组合(模块)与产品之间接口进行抽象，用于描述测试系统中各个划分模块(可以是测试组合)的输入输出物理端口特性，如匹配隔离接口、适配器、网口、总线端口。包括端口号、端口状态、端口所属功能处理单元、端口类型等，诸如传输射频信号的RF端口、传输数字信号的RS422/485端口等。

b)链路元模型

对连接链路进行抽象，如总线，用于描述系统组合(模块)之间、组合(模块)与产品之间的链接链路，如总线连接、通信连接，其主要属性为链路的类型、工作状态（正常、异常）

c)功能单元元模型

对处理功能单元进行抽象，用于描述测试系统组合(模块)内部的核心处理单元，如DSP功能处理单元、计算机处理单元等，主要包括功能单元号、通道、功能逻辑状态、是否共享(特别是针对通用测试系统公共单元使用)等信息；

d)组建元模型

为组合(模块)的抽象，用于描述测试系统的各测试组合、模块，是在基础元模型的进一步抽象，主要包括组件状态、序列号、制造商、物理地址、运行状态和专属属性。

e)功能线程元模型

对应用功能的抽象，用于描述测试系统的功能，主要属性包括功能正常状态下的各子状态与功能状态、功能正常启动子状态，所使用的硬件组建及其链路关系(在通用测试系统中硬件软件配置常用)使用的软件构件及其部署关系等。

2.2构建模块元模型。

基础元模型定义了产品-测试系统各领域的基础语法和语义，作为系统建模基础，构建更高层级的元模型，以信号处理模块为例构建典型模块元模型(如测试系统信息处理模块)，信息处理组合各模块含有若干个接收采样(包括电平采集、AD采集、通信接收)数据输入端口、若干个后处理后的数据输出端口、数据功能处理单元组成，每一个模块可以作为独立模块进行元模型进行构建，也可将整个组合作为元模块进行构建。在将各模块进行独立构建元模型时，定义每个模块的处理通道数量，以通信板为例，其由4个通信通道、6个光耦隔离通道，1个公共DSP组成，据此对该模块进行模块化语言图形建模。

2.3 系统建模

在完成对系统基础元模型、模块元模型构建的基础上，根据特定功能需求的测试系统进行系统建模。系统建模以模块元模型为基础，根据系统的特点、使用环境、使用对象，采用类似于电路图的方式，对模块元模型进行拖放、连接、绘制出具体的测试系统模型，在进行系统参数变更过程中不对基础元模型进行操作，仅按照需求进行实体模型构建。以某测试系统为例，测试系统抽象为接口单元、射频发射单元、射频发射单元、数据交换单元、数据处理单元，各单元通过总线链路连接在一起，构成整个物理系统。其中的(应用)功能线程为逻辑层，记录系统应用功能和物力资源之间的关系，反映实际某项应用功能的资源配置、功能使用情况。最终形成包含了功能线程集合、组件类、功能单元类、端口类和链路类。组件类派生出不同的系统组件类，如数据处理单元、射频收发单元等。端口类派生出总线、电平传输等端口类。通过基础、模块类的派生，实现系统可扩展、升级。建立系统后，采用自动生成的可标记扩展方式实现系统模型自描述。

3结束语

基于元模型的电子系统建模方法是以航空电子模块化综合系统果成技术为主要基础，结合数字化虚拟样机的基本测试系统通用化、模块化、软件设计理念进行的初步摸索，最终目标在于实现对产品电子设备虚拟化设计，并形成相应的规范化模型，规范产品设计开发，提高设计验证充分性，快速有效指导复杂电子系统设计工作和仿真工作。

参考文献：

[1]陈颖,苑仁亮,曾利，航空电子模块化综合系统集成技术[M].北京，国防工业出版社，2013.