航天CCD相机控制器的发展具有一定的复杂性，提高了系统的安全性和可靠性，满足了航空航天系统要求的遗产，并降低系统开发的风险，控制器的发展模式提出了空间CCD相机。模型采用集成开发方法，采用自上而下的开发方法，从整个系统结构的角度出发，允许开发摄像机控制器。型以摄像机控制器型CCD航天的发展的应用引导每个阶段，这不仅可以更好地与航天系统的开发过程相关联的发展，同时也降低了的颠覆风险的风险，并内置功能的程度。
观发展过程;微观发展过程;迭代过程;相机控制器中图分类号：TN91934文档代码：AA编号：1004373X（2011）控制器设计的嵌入式摄像头22005506Processus航天刘辉李Yunfei（研究所中国科学院长春光学精密机械与物理系，长春130033）摘要：为了提高安全性，必须设计航空航天用CCD摄像机控制系统。外，根据可靠性，下遗传航天电子系统的原则，并减少与设计的风险，迭代设计方法提出，该综合方法和自顶向下设计方法是在过程中采用迭代。制器根据该组的结构设计。为航空航天CCD相机带来了高性能控制器系统。代过程关键词：宏观发展过程中，微观发展过程中，收到的迭代，摄像头控制器：20110623基金项目：中国国家自然科学基金（61036015）0引言随着CCD相机工业，农业，越来越多地使用军事，航空航天和天文观测使得CCD摄像机的功能越来越复杂。前的应用要求CCD摄像机不仅要接收卫星控制面板控制图像，还要进行一些自我管理，自我维护，自我修复等功能。长。这种情况下，摄像机控制器在整个摄像机中的作用变得越来越重要，因此必须将其设计为单独的摄像机子系统。不仅可以控制摄像机成像单元的图像参数，还可以帮助摄像机执行更高级的功能和辅助功能，例如处理原始信号压缩。像，数据存储等CCD相机控制器与许多相机子系统相关联。此，摄像机控制器是一个集成系统，具有多个功能模块和与多个输入和输出的复杂关系。于这种复杂的集成系统，需要一套适当的开发模型来指导系统开发的不同阶段，提高系统开发的效率，并提高产品的安全性和可靠性。外，航空航天系统的发展要求当前模型继承以前的模型，并尽可能使用在飞行中证明的软件和硬件模块，以提高系统的可靠性。而，用于航空航天的CCD摄像机控制器的开发通常采用自下而上的设计方法实现，功能模块的功能划分不明确，关系模糊，不能促进继承随后的模型控制器，这会带来进一步限制可靠性的瓶颈问题。成空间CCD摄像机控制器设计模型将面向对象的软件设计方法应用于系统设计过程，采用下游和迭代系统开发过程，克服了上游设计方法的不足。外，功能模块之间的分工明确，模块之间的可重用性良好，不同型号或不同型号的产品很容易继承，从而提高了产品的可靠性。计模型宏观过程开发模型集成空间CCD摄像机控制器的宏观开发模型分为模型阶段，初始样本阶段和正常阶段。发配置步骤的任务是首先定义开发任务，根据摄像机控制器的总体要求编写任务书，并测试任务的合理性和完整性。用适当的方法。旦完成对开发任务的分析，就可以根据需要进行需求分析，系统设计和详细的系统设计，然后交付相机控制器的原型。模阶段的主要目的是验证开发任务的完整性和合理性以及摄像机控制器系统需求分析，这使得摄像机控制器能够在一定程度上运行从系统的完整结构控制并建立技术难点。关键技术模块，以在早期识别设计缺陷并降低开发风险。始阶段开发任务是基于在配置阶段累积的摄像机控制器的配置经验来改进任务和系统开发要求，以验证修改的或新添加的任务或要求。后完成向用户交付电气产品。始阶段的大多数任务和要求都处于稳定状态，并且修改和添加较少。此，重点在于相机控制器的功能模块的划分和系统结构的设计，以及功能内聚。每个模块中，模块是弱耦合的。外，在此阶段，必须执行系统的硬件和软件部门以确定产品的结构组成并为最终产品奠定基础。正常阶段，此时开发过程的任务和开发要求不会改变，产品正在生产中，工作重点是测试和验证，系统校正通过测试验证完整。其影响域的分析是基于相应的修改措施，然后在相应的测试中，将最终产品交付给用户。面描述了宏观空间相机控制器的开发模型。同的产品阶段决定了相应工作点的重心。段之间的工作是按时间顺序连续的，这对应于螺旋过程。
关每个步骤的特定开发工作，请参阅以下微开发工作流程模型。过程开发模型上述宏过程的不同步骤需要产品的相应用户。些产品必须按结构，功能和性能的顺序继承，然后迭代改进。此，这些产品的硬件和软件组件必须具有内置的可重用和可配置功能。了实现这些目标，集成显微CCD相机控制器系统的微观开发过程模型包括需求分析过程，设计过程和验证实现过程。求分析过程通过应用需求分析过程的主要目标来确定此开发阶段的设计任务和要求。先，通过用户分析相机控制器系统之间的关系来分析相机控制器系统的限制，获得系统所需的任务。后，通过对任务的进一步分析，定义系统设计要求。务描述和系统设计要求该模型涉及UML用例图方法[1]。例图清楚地描述在系统中的外部参与者和系统为参与者[1-2]提供的功能，其可以表达直观的用户，系统任务和限制系统的系统，并证明用例图是一个系统。于在开发过程中描述设计任务和开发需求的强大工具，消除了自然语言描述的单一，一维，繁琐和过度抽象的缺点。计过程的主要目标是补充系统的结构设计和硬件和软件的划分。构设计还包括确定功能模块和构成系统的功能模块之间的连接。于集成系统，功能应在每个模块中尽可能一致，相应模块对应;系统功能模块之间的信号连接也必须最简洁，并尝试使用松耦合。旦系统结构的设计完成，就可以基于模块的功能将模块配置成软件或硬件，并结合系统实现的技术指标。模型中使用活动图和UML序列图来执行系统要求的分解。动图说明了由标签节点和流表示符号组成的描述，处理等操作过程的步骤。动图类似于程序流程图，但其功能比流程图强大得多。动图不仅包含进程的执行顺序，还包含分支并包含并行性等功能。用活动图作为工具轻松分析模块组成和设计要求的实现。于更详细的模块功能和模块之间的信号连接分析，可以使用序列图进行描述。用类图记录系统的静态结构。于硬件和软件分区结果，配置图用于描述[1]。现过程是通过真实的技术手段完成上述系统结构的过程。泛应用于工业有效的分析和设计工具是UML语言，但因为它们是半可执行文件，检查基于UML描述的系统模型的实现必须在平台上移植可执行文件，导致分析和设计。方法不能直接应用于系统实现过程，具有断开分析过程和设计过程的作用。外，嵌入式系统的典型软件和硬件，例如航空CCD相机控制器，是高度连接的。乎所有软件功能都必须通过控制I / O和设备等实际硬件来执行。以认为软件节点在系统中。结构比硬件节点，执行更高，从而使系统结构是高度依赖于软件节点和下层的物理结构的实施被掩蔽在一定程度上在驾驶员系统。以看出，选择适当的平台来实施该系统至关重要。模型采用专为嵌入式系统设计的QP（Quantum Leaps）平台框架策略，并将事件设计作为实现系统的一种方法，实际上解决了系统中的瓶颈问题。施和验证过程。现和验证基于QP的系统的方法如图1所示.QP平台主要包括管理类，如QHsm，QEQueue，Thread，QEvent和Qtimer。中，QHsm是状态机的分层类，它定义了状态机转换，事件接收和其他机制。QEQueue定义了一种机制，用于对消息进行排队以接收触发事件和缓冲事件。Thread是一个线程管理类，它管理线程优先级和线程切换机制。QEvent是一个事件类，它定义QP程序结构中的触发事件的类型。Qtimer定时器类型，管理程序结构中的定时机制。个应用程序活动对象都是一种QActive类型泛化，QActive是QHsm的泛化类，包含QEQueue以及线程和QTimer。句话说，应用程序被分成几个活动对象，每个活动对象具有分层状态机的线程的特征和特征，以及用于接收触发事件的消息队列。于QP的系统实现和验证过程具有以下特点[3]：系统在UML中完全描述，可以直接应用于系统分析模型。
解决了与无法直接使用结构分析和设计所得结构模型相关的瓶颈问题，并允许无缝集成。统模块使用事件来联系，并且每个活动对象不直接处理事件的传递和接收，以便活动对象完全耦合。动对象之间的关系正是上面提到的模块化特征的实现。1基于QP的系统验证和实现方法（3）系统模块具有线程和状态机的特点，可以完全克服调试困难，测试困难的缺点。于没有操作系统的传统多线程程序的设计。是可靠性至关重要的航空航天和军事应用的理想选择。实施和系统验证的过程中，材料的时间特征，可以容易地集成到使用所述结构的特征的系统的结构，其克服了硬件和软件之间的密切关系综合系统。统的模块化和松散耦合使得检查系统模型变得容易。证过程使用上述面向对象的分析方法和自上而下的实现，并且必须调整验证过程。
发过程不再是集合中第一个模块的顺序，而是按照全局重新模块的顺序;因此，恒温阀芯验证过程也必须遵循系统任务的顺序，要求，功能点的整体框架结构，而不是第一个。点后的整体顺序。当前宏观和微观开发过程的开发过程中，微观迭代过程应用于每个宏观开发周期，使产品开发过程飙升。过不同的宏观过程，微观过程的目标也发生了变化：表1显示了宏观过程和微观过程之间的相互作用。相位6020≤52040≤10设计实施和验证2040≥85步骤宏观模型的应用的宏观和微观模型微观宏观流程模型过程初始阶段分析之间表1迭代关系上述分析侧重于开发任务的完整性，合理性，因此发展的需要，从而使微型模型的需求分析占据了大部分的时间步长该模型。阶段的设计侧重于系统框架和关键技术的设计。过执行和验证上述框架和关键技术来判断设计精度，它还测试任务和开发要求的完整性和合理性。此，设计阶段和验证阶段的实施在这个阶段工作。初的步骤是修复任务要求和开发结构关键技术的过程。这个阶段，需求分析仅限于完成少量的任务需求，因为大多数任务和需求不会改变，因此工作量只是一小部分。
一发展相对某些任务，可以得到，使得每个模块的详细设计可以在被执行的配置步骤可以被扩展和相对稳定的系统结构的结构部分宽阔的海滩。须实施和验证所有新设计。此，设计和实施的验证几乎占工作量的80％。正常阶段，工作主要集中在修改系统缺陷的阶段。阶段的任务和发展需求不会作为一个整体发生变化，变化将仅限于少数个别领域。此减少了与需求分析相关的工作量。多数系统也处于稳定状态，并且变化仅限于非常小的范围。部分工作量和工作量都用于系统验证结构和系统级审计的框架。然，上面的迭代过程是一个动态过程，可以根据当前的技术需求灵活应用。如，初始步骤可以分成几个电气步骤，每个步骤都有自己的微处理。发该模型的应用来说明该问题。下是上述模型的应用过程的示例，以用于航空航天的CCD相机控制器的当前开发过程为例。们假设产品的状态处于模型开发阶段，并且开发条目条件符合规范和设计要求。求分析模型将航空CCD相机控制器应用于样品台，产品处于开发周期的第一阶段。项工作的主要目的是了解和验证开发的任务和要求。1.2.1节中描述的需求分析方法的过程如下。一种是通过分析开发任务确定系统的参与者（用户）来确定系统的限制，如下：（1）CCD摄像机电源子系统。CCD摄像机图像使用不同类型的CCD设备，这些设备通常需要几种类型的电源，但也包括不同电源的电源开关顺序，这可能会损坏CCD设备。此，控制摄像机图像的摄像机控制器必须处理CCD的驱动功率。（2）CCD成像子系统。像系统的功能包括CCD装置的同步，CCD信号的放大和处理以及最终图像数据的传输。机控制器的主要功能是提供成像系统的所有控制和操作参数。（3）热控制子系统。于CCD装置的成像原理，CCD相机的焦平面必须在大多数操作条件下控制其温度。像机控制器控制热控制系统并获取热控制系统的状态。（4）标准定子系统。准系统用于校准相机系统的标准敏化。机的控制器在拍摄前控制其动作。（5）调试子系统[4]。于一些有焦点需求的相机，您还需要控制它们的焦点动作。（6）摄像机承载平台的主机。于大多数CCD相机，控制信息与操作员平台相互作用。此，主计算机也必须作为控制器参与者存在。旦识别出系统中的所有参与者，就确定系统的限制。过系统与参与者之间的关系实现摄像机控制器的系统功能：系统控制根据注入命令从媒体控制器执行相应的动作。包括有关子系统初始化，电源管理，热控制，调试和映像的说明。集并打包工程参数，并将每个子系统的遥测数据返回到支持平台。遥测数据包括电源电压的遥测，热控制参数[7]，焦平面位置，成像参数和指令。统的时间戳以与支持平台兼容的格式合成。如，对于某些CCD相机应用，相机的开始和结束时间至关重要。此，摄像机的控制器必须具有与装载平台一致的时间系统。源管理需要十种以上的电源来维持CCD摄像机的操作，并且馈电方法也很复杂。
些CCD相机使用分层结构，一些使用DC电源，另一些使用AC电压调节，然后提供电源。此，CCD摄像机控制器必须管理这些电源，主要是功率分配和上电顺序。然，CCD摄像机在不同应用领域的工作模式和工作环境仍然存在差异。此，这些摄像机的控制器功能可能会受到其他要求的影响。忽略只是因为空间限制，并总结了上面分析的参与者和系统。用例之后，我们得到一个用例图，如图2所示。2摄像机控制器系统的使用案例图在上面的过程中，方法是用例可以更直观地看出系统有哪些局限性，系统应该提供哪些功能，以方便用户与用户进行通信和修改，并逐步完善。设计模板应用采用向上设计方法时，在获得任务和系统开发要求后，立即进入每个功能的详细设计过程。而，对于大型复杂系统，该方法不能很好地理解系统的整体结构，这导致系统的功能模块之间的关系之间的强相关性，导致显着的设计风险。高。于紧耦合，调试也很困难。获得系统开发任务和要求之后，本文档中描述的开发模型的应用没有进入详细的设计过程，而是分析每个用例（功能）并将其分解为测试点。个功能凝聚因子的功能取决于功能。下来，分析所有获得的功能点之间的水平关系，然后优化和剪切并创建系统结构。以看出，随着系统要求的变化，大多数现有的功能和系统仍然可用。
改链接功能点的最小范围就足够了，并且可以修改相关的关联[2]，并尽可能地实现系统结构。耦合和重复使用组件的可能性。解CCD摄像机控制器空间用例对于摄像机控制器系统，首先从确定其功能的主要用例分析系统结构。以选择系统控制，工程参数选择和系统时间戳。他用例对系统的主要结构影响不大，可以在未来的设计过程中逐步添加。3显示了UML活动图中描述的用例分解的结果，其中每个通道都是一个功能点。过分析指令接收用例，可用指令注入总线，指令协议，摄像机控制器状态管理，内部总线协议和总线内部，几个功能点。明显，系统控制功能的控制命令输入来自CCD摄像机的传输平台。常，通信端口采用RS 232，RS 422，CAN，1553B和以太网方式。功能的输出是与控制命令相关的各种子系统的输出接口，CCD摄像系统内部的公共通信总线是RS 232，RS 422等。这种情况下，输入和输出通道可以分别被认为是平台和内部通信总线的输入总线。制命令包括摄像机姿态控制命令，维护命令，摄像机模式配置命令和图像数据传输管理命令。CCD摄像机可能不是运营商平台的唯一费用。此，它发送的指令必须由整个系统中的单个通信协议处理。此，CCD摄像机控制器必须根据协议解释CCD摄像机的输入命令，生成不同摄像机控制器的内部数据结构，并按照一定的规则对其进行分类。于CCD相机的每个子系统，相机控制器需要系统内置的通信协议来处理输出命令。La relation entre les différents points de fonction est indiquée dans la phase de réception des instructions dans la partie supérieure de la figure 3. Figure 3 diagramme d’activité de décomposition de cas d’utilisation d’injection d’instructions système et d’acquisition de paramètres d’ingénierie utilisant la technique d’analyse décrite ci-dessus， tous les cas d’utilisation du système peuvent être décomposés un par un， chaque cas d’utilisation pouvant générer de nouveaux points de fonction pour la structure du système， puis le nouveau point de fonction Ajoutez au système， vous pouvez progressivement obtenir tous les points de fonction du système. La génération de la structure du système applique les étapes d’analyse ci-dessus. Elle permet non seulement d’obtenir les points de fonction du système， mais également de résumer la structure du système à partir de la relation entre les points de fonction dans différents diagrammes d’activité， obtenant ainsi la structure du système de contrôleur de caméra CCD. 4 est montré. Grâce à la décomposition de tous les cas d’utilisation du système， la structure finale du système tend à être stable， c’est-à-dire que les points de fonction dans la structure de système illustrée à la figure 4 ont une bonne encapsulation et que l’association entre les points de fonction a une signification claire et un couplage lâche. Lorsque le cas d’utilisation du système change， la fonction et la structure de l’ensemble du système ne changeront pas beaucoup. Par exemple， la fonction du point de fonction du bus 485 est terminée et l’instruction d’injection est distribuée à chaque sous-système à l’intérieur de la caméra. Les sous-systèmes sont interrogés pour revenir à l’état de fonctionnement. Si le système exige que le système CAN communique avec le système de caméra vidéo， la modification est limitée au point de fonction du bus 485 et il n’est pas nécessaire de modifier les autres points de fonction. Figure 4. Structure du système Figure 2.2.3 Partitionnement logiciel / matériel Sur la base du modèle de structure fonctionnelle du système， en analysant les caractéristiques de différents points fonctionnels， en combinaison avec la réalité technique de la conception du système， les contraintes de sélection de périphérique， les exigences de performance du système et d’autres restrictions， Les points de fonction sont divisés en implémentation logicielle et implémentation matérielle， et le schéma de déploiement [1] est utilisé pour représenter le schéma de configuration， comme illustré à la figure 5. Les nœuds et les associations entre les nœuds représentent les systèmes matériels et les composants représentent les points de fonction du logiciel. En référence à la figure 4， des fonctions telles que la gestion des journaux， le traitement d’analyse de données， la synthèse de données， le calcul de décalage d’image [4， 6] et le contrôle de réinjection sont déployés dans la MCU à l’aide d’un logiciel. La gestion du temps， la surveillance des pulsations， le bus d’injection d’instructions， le bus système interne， la gestion de l’étalonnage， la gestion des interruptions et d’autres points fonctionnels avec des propriétés matérielles évidentes sont déployés en tant qu’implémentations matérielles et des circuits numériques purs peuvent être déployés sur des FPGA. Après un tel déploiement， les associations entre les points de fonction de la figure 4 sont converties en relations logicielles pures， certaines relations sont matérielles et d’autres en relations mixtes. Par exemple， l’association entre la fonction de traitement d’analyse de données et la fonction de calcul par décalage d’image est une relation purement logicielle， utilisant notamment des sémaphores， des files d’attente et des événements. Par exemple， l’association entre la fonction de traitement d’analyse des données et la gestion du temps est convertie en une interface entre le matériel et le logiciel， utilisant spécifiquement un pointeur d’adresse pointant vers une adresse de registre spécifique et une interaction de données est transmise par un registre. Bien entendu， les interfaces matérielles et logicielles peuvent également revêtir d’autres formes. Figure 5 Déploiement de la fonction système Figure 2.3 Implémentation du modèle d’application L’implémentation logicielle de la plate-forme QP permet de mapper directement les points de fonction de la structure système de la figure 4 et de la figure 5 obtenus par l’analyse et la conception de la configuration système directement dans les objets actifs de l’application QP. Le contenu d’implémentation spécifique du point de fonction est mappé sur la machine à états et l’association entre les points de fonction est mappée sur le mécanisme de l’événement. Les points de fonction matériels sont simulés à l’aide de mécanismes de thread tels que le minutage d’objet actif， le délai et les files de messages. Par exemple， à la figure 5， la fonction de calcul auxiliaire implémentée dans le FPGA est configurée.Le contenu du calcul spécifique à l’étape de configuration ne peut pas être complètement déterminé. Par conséquent， l’échelle de calcul et les propriétés de calcul de l’échantillon initial et de l’échantillon changeront à l’avenir， ce qui rend le module fonction Les performances de synchronisation dans l’ensemble du système présentent certaines différences: si la méthode de conception traditionnelle est utilisée à ce stade， le logiciel s’appuiera fortement sur le matériel et ne pourra pas être réutilisé à l’étape de développement suivante. Toutefois， si le point de fonction est mappé sur l’objet actif， il est géré par QP et intégré à l’ensemble de la structure système， de sorte que le changement de fonction du nœud puisse être efficacement simulé et vérifié pour l’ensemble du système. La mise en œuvre de la plate-forme QP basée sur ce modèle peut non seulement améliorer la réutilisabilité de la structure du système à chaque étape du développement， de sorte que le produit final sera plus facilement appliqué à d’autres modèles， et L’étape initiale du matériel n’est pas terminée et les diverses fonctionnalités du matériel sont bien simulées. L’application de modèle de vérification comporte de nombreuses méthodes de vérification au niveau du système， la plus importante étant la vérification de la situation de planification. Pour la phase de configuration， la structure du système est dans un état stable et la tâche système dispose d’un modèle préliminaire， de sorte qu’une planification approximative est requise. Estimation En pratique， la méthode de programmation monotone (RMS) est utilisée pour la vérification. L’algorithme d’ordonnancement monotone a été proposé par Lui et Lenyand en 1973. En mode RMS de base， la priorité d’une tâche dépend de sa période. Plus la période est courte， plus la priorité de la tâche est élevée. Dans RMS， la priorité est déterminée au moment de la conception et reste constante pendant l’exécution du système. De tels systèmes sont connus pour utiliser des stratégies de planification statiques ou fixes. On peut considérer que tous les objets actifs dans le contrôleur de caméra actuel sont planifiés de manière fixe. L’algorithme de planification RMS est le suivant. ∑nj = 1 (Cj / Tj) ≤n (21 / n-1) (1) où: Cj et Tj représentent respectivement le temps et la période d’exécution de la tâche et n le nombre de tâches à planifier. Ce qui suit est une donnée RMA mesurée pour les fonctions communes des contrôleurs de caméras CCD aérospatiales [7]. Tableau 2 Résultats RMA Objet actif Cj / msTj / msCj / Tj Télémétrie analogique 3 × Plate-forme 35000.018QP 1.49100.149 Synthèse de données 1.61300.0121 Sortie 553B 0.72500.003 Contrôle de scrutation 17.42000.087 Contrôle thermique 922 0000.0461 553 Entrée 0.22000. Interrogation 001 de l’interrogation 25.21670.151 Interprétation de la commande 2.4800.03 Contrôle de l’imagerie 101670.06∑0.557 Selon le tableau ci-dessus， le côté gauche de l’équation (1) est 0，577 et le côté droit est 0，71. Par conséquent， l’inégalité est établie et la synchronisation du système dans une période de fonctionnement valide est visible. La relation est complètement planifiée， la structure système est planifiée et fiable et le processus de développement de l’ensemble de la phase initiale est terminé. Conclusion En appliquant le modèle de développement intégré au processus de développement du contrôleur de caméra CCD aérospatial à l’étape de modélisation， le modèle est un processus de développement intégré complet et pratique du contrôleur de caméra CCD aérospatiale. L’utilisation de ce modèle pour guider le travail de développement a la signification suivante: La méthode de développement impliquée dans le modèle est complètement intégrée et descendante， et le produit développé à l’aide de ce modèle sera également un système intégré， satisfaisant ainsi Espace requis du système pour l’héritabilité du modèle. L’utilisation du modèle pour guider le processus de développement permet de bien comprendre la structure générale du système， ce qui peut efficacement éviter l’apparition de défauts subversifs et améliorer l’efficacité du développement.
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