基于狀態(tài)機實現(xiàn)公交車智能IC卡收費機的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

有限狀態(tài)機是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)以及觸發(fā)條件進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一種機制，包含一組狀態(tài)集（state）、一個起始狀態(tài)（start state）、一組輸入符號集（alphabet）、一個映射輸入符號和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（transition function）的計算模型。當(dāng)輸入符號串時，模型隨即進入起始狀態(tài)。要讓狀態(tài)機改變到新的狀態(tài)，依賴于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)。有限狀態(tài)機中有許多變量，例如，與動作（actions）轉(zhuǎn)換（Mealy機）或狀態(tài)（摩爾機）關(guān)聯(lián)的動作，多重起始狀態(tài)，基于沒有輸入符號的轉(zhuǎn)換或指定符號和狀態(tài)（非定有限狀態(tài)機）的多個轉(zhuǎn)換、指派給接收狀態(tài)（識別者）的一個或多個狀態(tài)。有限狀態(tài)機多應(yīng)用于硬件時序電路設(shè)計。

有限狀態(tài)機也可以應(yīng)用到嵌入式軟件設(shè)計中。在進行嵌入式軟件設(shè)計時，通常的做法是按照信息流程進行順序編程。例如對串行數(shù)據(jù)的處理，一般是等待接收數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送處理結(jié)果。使用這種軟件設(shè)計方法，最突出的一點就是在任務(wù)的處理過程中，任務(wù)基本上獨占了MCU的資源，即在處理串口數(shù)據(jù)的過程中，不會再去處理其他消息（中斷除外）。采用這種方式，MCU會在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)只處理一個任務(wù)。如果合理運用狀態(tài)機機制開發(fā)系統(tǒng)軟件，就可以讓MCU進行多任務(wù)的分時處理。

1 建立有限狀態(tài)機的模型

其實在平時的程序設(shè)計中，開發(fā)人員已經(jīng)不知不覺地使用了狀態(tài)機，如按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換、菜單顯示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等。但是，很少有系統(tǒng)會使用狀態(tài)機進行多任務(wù)處理。在單片機系統(tǒng)中，通過對系統(tǒng)各功能模塊的分析，可以建立有限狀態(tài)機的模型，繼而在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中利用狀態(tài)機的特點，開發(fā)出結(jié)構(gòu)清晰的高效率嵌入式軟件。

1.1 系統(tǒng)功能分析

具有GPS、GPRS功能的公交車智能IC卡收費機，其功能包括對乘客使用的非接觸式IC卡進行刷卡消費，使用GPS進行自動報站［2］，以及使用GPRS進行實時調(diào)度［3］等。按照獨占式處理模式，智能收費機的軟件系統(tǒng)會把多個任務(wù)按照信息流程進行排隊，處理完一個任務(wù)后，再進行下一個任務(wù)的處理。使用狀態(tài)機進行軟件編程，可以把每一個任務(wù)分解為多個狀態(tài)，在某個狀態(tài)處理時，同時檢查其他任務(wù)是否需要進行信息處理，并進行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這樣就可以讓MCU在等待的空閑時間內(nèi)進行多個消息的處理。

1.2 IC卡功能的狀態(tài)機建模

目前公交車乘客使用的公交卡，一般都是非接觸式IC卡，需要使用一個接口芯片對卡片進行讀寫操作。因此要對IC卡進行操作，就需要先對接口芯片進行初始化，包括對相關(guān)I/O引腳的設(shè)置、訪問地址的設(shè)定等操作。當(dāng)非接觸式IC卡進入無線操作范圍后，需要使用Request命令喚醒卡片，再對喚醒的卡片（一張或多張）進行防沖突處理，得到卡片的唯一標(biāo)識碼，然后通過Select命令選擇要進行操作的卡片。非接觸式IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)是用密碼進行保護的，而且每個區(qū)的密碼都不一樣。因此在對某個區(qū)進行讀寫前，還需要進行密碼的驗證。只有密碼正確了，才可以進行讀寫操作。如果卡片的防沖突處理、選擇卡片操作扇區(qū)、授權(quán)驗證這幾個步驟出錯，則需要使用Request命令對卡片重新喚醒，然后再進行其他操作。在完成對卡片某一區(qū)域的讀寫后，可以直接對其他區(qū)域進行操作（需要重新驗證密碼），或者使用Request命令對其他卡片進行操作。

對IC卡的操作可以分為以下幾個部分：接口芯片的初始化、查詢卡片、防沖突處理、選擇卡片、對操作扇區(qū)授權(quán)驗證、讀卡、寫卡。根據(jù)對IC卡的操作，可以建立IC卡操作的相應(yīng)狀態(tài)作為狀態(tài)機。建立狀態(tài)機的模型如圖1所示。類似地，對于GPRS、GPS等功能模塊，也可以進行相應(yīng)的狀態(tài)機建模。

圖1 非接觸IC卡操作的狀態(tài)機

2 利用狀態(tài)機進行軟件設(shè)計

利用前面所建立的狀態(tài)機模型，可以方便地進行相應(yīng)的程序設(shè)計。軟件的主要工作是進行正確的狀態(tài)切換和在每個狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的動作。對單個狀態(tài)機處理的程序設(shè)計，可以使用“橫式”或“豎式”兩種設(shè)計方法。“橫式”設(shè)計是把每個狀態(tài)的功能作為一個子函數(shù)處理，在子函數(shù)外部進行狀態(tài)的切換?！柏Q式”設(shè)計是在單個switch語句中對所有的狀態(tài)進行判斷，執(zhí)行相應(yīng)動作并進行狀態(tài)切換。

下面以非接觸式IC卡操作為例，對兩種軟件設(shè)計方式進行討論。假設(shè)變量如下：當(dāng)前狀態(tài)為cur_state，下一狀態(tài)為next_state；狀態(tài)分別為RC500Config、RC500Request、RC500Anticoll、RC500Select、RC500Auth、 RC500LoadMk、RC500Read、RC500Write。［5］“豎式”程序設(shè)計如下：

switch（cur_state）{//在當(dāng)前狀態(tài)中判斷事件

case RC500Config://進行RC500Config初始化狀態(tài)

執(zhí)行初始化動作

if（SUCCESS）{

next_state = RC500Request;//成功則進行卡片查詢

}

else{

斷電重新初始化

}

break;

case RC500Request://在RC500Request狀態(tài)

對射頻范圍內(nèi)的卡片進行查詢

if（SUCCESS）{ //將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到RC500Anticoll態(tài)

next_state = RC500Anticoll;

}

else{

繼續(xù)查詢

}

break;

case RC500Anticoll://在RC500Anticoll狀態(tài)

進行抗沖突處理

if（SUCCESS）{

獲取卡片識別碼，轉(zhuǎn)到選擇卡片狀態(tài)

next_state = RC500Select;

}

case …

}

“橫式”設(shè)計是把每個狀態(tài)及所要執(zhí)行的動作單獨放到一個子函數(shù)中處理，有RC500Config（）、RC500Request（）、 RC500Anticoll（）等。工作狀態(tài)的確定可以通過查詢狀態(tài)表獲得，找到相應(yīng)的狀態(tài)后運行相應(yīng)的子函數(shù)。在每個子函數(shù)中，既有該狀態(tài)下應(yīng)該執(zhí)行的動作，也有狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。然后在主程序中判斷狀態(tài)是否發(fā)生了轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的狀態(tài)子程序中執(zhí)行。

橫豎兩種寫法，實現(xiàn)的功能完全相同，但是“豎式”隱含了優(yōu)先級排序，破壞了事件間原有的關(guān)系。同時，由于處在每個狀態(tài)的事件數(shù)目不一致，而且事件發(fā)生的時間是隨機的，“豎式”設(shè)計為順序查詢方式，因此大量時間被浪費?！皺M式”設(shè)計，在某個時間點狀態(tài)是唯一確定的，延遲時間可以預(yù)先準(zhǔn)確估算。而且在事件發(fā)生時，系統(tǒng)會調(diào)用相應(yīng)的事件函數(shù)，在函數(shù)里查找唯一確定的狀態(tài)，并根據(jù)其狀態(tài)執(zhí)行動作和狀態(tài)轉(zhuǎn)移。使用這種方式設(shè)計的軟件思路清晰簡潔，效率高，故使用“橫式”方法設(shè)計程序更好。

類似地，對于GPRS、GPS等功能模塊也可以運用狀態(tài)機機制進行程序設(shè)計，從而在整個智能收費機的軟件設(shè)計中，對所有任務(wù)的處理都可以運用狀態(tài)機機制進行相應(yīng)的程序設(shè)計。

3 使用狀態(tài)機的效能分析

在很多嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中都可以用到類似狀態(tài)機的設(shè)計思想，比較常用的地方就是各種液晶界面的設(shè)計。使用狀態(tài)機機制設(shè)計軟件，可以使設(shè)計思路清晰、靈活，軟件的可讀性強，便于以后的維護。如果合理地使用狀態(tài)機，還可以較大幅度地提高MCU的運行效率。下面以非接觸式IC卡的軟件設(shè)計流程為例討論。

圖2 嵌入式軟件設(shè)計方法比較

圖2（a）是傳統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計流程，使用這種流程設(shè)計的系統(tǒng)軟件按部就班地先執(zhí)行RC500Config（），再執(zhí)行 RC500Request（），然后是RC500Anticoll（），直到對IC卡操作完成，再轉(zhuǎn)到其他任務(wù)（如GPS）。這樣IC卡的操作任務(wù)占用了整個MCU資源。圖2（b）是使用狀態(tài)機設(shè)計系統(tǒng)軟件的流程。在使用狀態(tài)機的同時設(shè)定一個軟件時鐘，用來為系統(tǒng)的各個任務(wù)進行計時，并進行任務(wù)的調(diào)度。軟件時鐘使用一個長整型變量進行計時，利用MCU定時器1 ms或10 ms的中斷來實現(xiàn)，從而使時鐘不受任務(wù)執(zhí)行過程的影響。當(dāng)某個任務(wù)執(zhí)行過程需要等待延時，執(zhí)行子函數(shù)返回main（）函數(shù)，讓其他任務(wù)使用MCU資源。這樣實現(xiàn)的軟件，在處理某個任務(wù)的空隙可以同時處理其他任務(wù)的操作，有效地提高了MCU處理事件的能力。具體實現(xiàn)方法如下：

RC500Request（）{

time_mark = mS_mark;//若需要延時，更新計時的軟件時間

……

if（！past_200mS（））break;//如果延時不足200 ms，//返回調(diào)用函數(shù)，MCU運行其他任務(wù)

……

}

當(dāng)延時不夠200 ms時，函數(shù)RC500Request（）直接返回而沒有改變IC卡操作的狀態(tài)，因此MCU下一次進行IC卡操作時，繼續(xù)執(zhí)行函數(shù) RC500Request（），直到IC卡操作狀態(tài)改變。同時，函數(shù)RC500Request（）返回后，main（）函數(shù)會檢查GPS、GPRS等工作模塊，執(zhí)行其中的某些動作。也就是說，在執(zhí)行IC卡操作的同時，可以執(zhí)行其他任務(wù)的操作；同理，在執(zhí)行其他任務(wù)的操作時，也可以執(zhí)行IC卡的一些操作。這樣就可以充分利用MCU的資源，提高MCU對多任務(wù)的處理效率。

結(jié)語

使用上述狀態(tài)機機制設(shè)計的智能公交車IC卡收費機的系統(tǒng)軟件，能夠及時處理IC卡信息、GPS定位信息、GPRS通信等多個任務(wù)的操作，運行穩(wěn)定，完全滿足實際應(yīng)用的要求。該機制非常適合功能較多的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計。

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