基于LPC2134和UCOSII的自動售貨機狀態(tài)機模型

由于售貨機的功能不斷增多，售貨機控制系統(tǒng)也相應(yīng)得不斷變得龐大，這就使原來的面向過程的開發(fā)方法變得越來難以擴展和維護(hù)，根據(jù)自動狀態(tài)機的理論，提出一種在售貨機上的狀態(tài)機模型，該模型對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行抽象和分離，建立了系統(tǒng)狀態(tài)表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，是一種網(wǎng)狀的狀態(tài)機模型。根據(jù)系統(tǒng)事件和當(dāng)前狀態(tài)來查找系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如果有匹配項，則進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過實驗表明，該模型能解決系統(tǒng)的代碼龐大問題，并且使系統(tǒng)開發(fā)變得易于維護(hù)。

1 概述

自動售貨機是一種全新的商業(yè)零售形式，20世紀(jì)70 年代自日本和歐美發(fā)展起來?，F(xiàn)在，自動售貨機產(chǎn)業(yè)正在走向信息化并進(jìn)一步實現(xiàn)合理化。例如實行聯(lián)機方式，通過GPRS 將自動售貨機內(nèi)的庫存信息及時地傳送各營業(yè)點的電腦中，從而確保 了商品的發(fā)送、補充以及商品選定的順利進(jìn)行。并且，為防止地球暖化，自動售貨機的開發(fā)致力于能源的節(jié)省，節(jié)能型清涼飲料自動售貨機成為該行業(yè)的主流。在夏季電力消費高峰時，這種機型的自動售貨機即使在關(guān)掉冷卻器的狀況下也能保持低溫，與以往的自動售貨機相比，它能夠節(jié)約10-15%的電力。進(jìn)入21 世紀(jì) 時，自動售貨機也將進(jìn)一步向節(jié)省資源和能源以及高功能化的方向發(fā)展。這就導(dǎo)致了售貨機的控制系統(tǒng)（VenclingMachine Controller,VMC）的復(fù)雜度大大增加。先前的基于匯編程序的VMC控制系統(tǒng)雖然效率高，但是存在著可擴展性差，程序結(jié)構(gòu)性差，不易維護(hù)等缺點。因此本文提出了一種基于ARM7的新型VMC主板的有限狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)，對VMC 進(jìn)行改進(jìn)。本文所用的硬件環(huán)境為使能LPC2134 的ARM7 主板，有一個RS232 串口接GPRS 模塊，一個MDB 總線模塊，一個電機驅(qū)動模塊，外接一個顯示和按鍵模塊。

軟件方面采用的操作系統(tǒng)是ucosII操作系統(tǒng)，這是一種開源的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)同步和互斥上提供了信號量，消息隊列，消息郵箱等功能，本文主要采用的是信號量和消息隊列。

總的來說，有限狀態(tài)機系統(tǒng)，是指在不同階段會呈現(xiàn)出不同的運行狀態(tài)的系統(tǒng)，這些狀態(tài)是有限的、不重疊的。這樣的系統(tǒng)在某一時刻一定會處于其所有狀態(tài)中的一個狀態(tài)，此時它接收一部分允許的輸入，產(chǎn)生一部分可能的響應(yīng)，并且遷移到一部分可能的狀態(tài)。 一個有限狀態(tài)機（FSM）是一個五元組，M=（S,G,E,A,T）。

State（狀態(tài)），就是一個系統(tǒng)在其生命周期中某一時刻的運行情況，此時，系統(tǒng)會執(zhí)行一些動作，或者等待一些外部輸入。

Guard（條件），狀態(tài)機對外部消息進(jìn)行響應(yīng)的時候，除了需要判斷當(dāng)前的狀態(tài)，還要判斷跟這個狀態(tài)相關(guān)的一些條件是否成立。這種判斷稱為guard（"條件"）。guard 通過允許或者禁止某些操作來影響狀態(tài)機的行為。

Event（事件），就是在一定的時間和空間上發(fā)生的對系統(tǒng)有意義的事情。

Action（動作）， 當(dāng)一個Event 被狀態(tài)機系統(tǒng)分發(fā)的時候，狀態(tài)機用Action（"動作"）來進(jìn)行響應(yīng)，比如修改一下變量的值、進(jìn)行輸入輸出、產(chǎn)生另外一個Event或者遷移到另外一個狀態(tài)等等。

Transition（遷移）， 從一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)被稱為Transition（"遷移"）。引起狀態(tài)遷移的事件被稱為triggering event （"觸發(fā)事件"），或者被簡稱為trigger（觸發(fā)）。

有限狀態(tài)機一般有2 種表示方式：狀態(tài)轉(zhuǎn)移表和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。通常用有向圖來表示有限狀態(tài)機，其節(jié)點代表狀態(tài)。如圖1 所示，售貨機售貨流程一共分5 個狀態(tài)，每個狀態(tài)都是根據(jù)消息的不同來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖1 自動售貨機中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：

2 實現(xiàn)方式

2.1 嵌套Switch方式

即先定義一個狀態(tài)和消息的枚舉，再通過嵌套的2層switch-case結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，外層switch-case結(jié)構(gòu)判斷狀態(tài)，雖然這種方法結(jié)構(gòu)簡單，便于理解，但是代碼冗長，不便維護(hù)，因此不建議在復(fù)雜雜的狀態(tài)機下運行。

2.2 狀態(tài)表方式

這種實現(xiàn)方法對第一種方法進(jìn)行了改良，根據(jù)State,Event 做成二維表格，表格中的項表示Action和Transmission,狀態(tài)采用枚舉量。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，便于理解，代碼比較簡練，效率最高，但是代碼結(jié)構(gòu)不是太好。

2.3 用函數(shù)指針作為狀態(tài)

這種方法用函數(shù)地址代替state 值，比較直觀，可以方便地增加entry/exit 操作，并且效率較高。

3 具體實現(xiàn)

綜合以上幾種方式，本文提出一種結(jié)合第二種和第三種方式的狀態(tài)機實現(xiàn)方式，即創(chuàng)立一個狀態(tài)表和一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，其中狀態(tài)表中有exit,entry,default處理方法，當(dāng)進(jìn)入該狀態(tài)時，先執(zhí)行entry方法，然后在狀態(tài)運行時執(zhí)行default方法，退出狀態(tài)時執(zhí)行exit方法，狀態(tài)之間的切換是通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換表實現(xiàn)的，即首先狀態(tài)等待一個系統(tǒng)消息，如果在狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中對應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前消息的項，則進(jìn)行消息轉(zhuǎn)換，具體實現(xiàn)如下3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

首先定義一個大小為10 的系統(tǒng)消息隊列用來接收外設(shè)和系統(tǒng)消息：

3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法

先建立一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換表， 建立一個FSM_STATE_TRAN 指針數(shù)組。即FSM_STATE_TRAN*fsm_tran[7];將每個狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換項都存在該狀態(tài)下的鏈表中。

在有限狀態(tài)機中，狀態(tài)是通過系統(tǒng)消息和當(dāng)前狀態(tài)來查找狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如果有對應(yīng)的項則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，沒有則繼續(xù)當(dāng)前狀態(tài)：算法如下：

4 模型分析

4.1 擴展性

為狀態(tài)機添加新狀態(tài)，只需在狀態(tài)表中添加新狀態(tài)及其處理方法，以及在狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中添加該狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方式。

4.2 查找算法分析

設(shè)總共有n個狀態(tài)，m個事件，每個狀態(tài)平均響應(yīng)的事件為k.

由于在這里每個狀態(tài)都是互斥的，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的時間開銷主要是花費在查找狀態(tài)表上面，這里采用了基數(shù)排序查找的思想。因此主要查找開銷是每個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換個數(shù)。由于在售貨機中，每個狀態(tài)大概都只有3-4 個狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。因此查找的時間復(fù)雜度比O（m）小。

5 結(jié)語

通過建立有限狀態(tài)機模型，并應(yīng)用改進(jìn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法，自動售貨機控制器的程序結(jié)構(gòu)更為清晰。原來存在于程序中的諸多標(biāo)志變量，由狀態(tài)機的各個狀態(tài)所取代，使系統(tǒng)具有更好的擴展性；并且模型很好地利用了狀態(tài)的相關(guān)性，縮短了查找所花費的時間。應(yīng)用于別的嵌入式系統(tǒng)也有較高的意義。