任 娜 郭 鍇

（江蘇省交通技師學(xué)院信息系，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

基于有限狀態(tài)機(jī)的人機(jī)交互界面軟件設(shè)計方法

任 娜 郭 鍇

（江蘇省交通技師學(xué)院信息系，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

本文基于嵌入式系統(tǒng)并運(yùn)用模塊化思想，設(shè)計了一種相對獨(dú)立的通用化的工業(yè)分析儀表人機(jī)交互界面系統(tǒng)。程序設(shè)計基于事件目標(biāo)驅(qū)動模型，以有限狀態(tài)機(jī)的方式，在實時操作系統(tǒng)μC/OS-II中，用狀態(tài)機(jī)把目標(biāo)和事件聯(lián)系起來，實現(xiàn)OA（Object-Action）行為模式完成人機(jī)交互的過程，開發(fā)出符合工業(yè)分析儀表應(yīng)用要求的人機(jī)交互界面軟件系統(tǒng)，并實現(xiàn)軟件與硬件的低耦合性，提高代碼的重用率，降低開發(fā)周期并提高軟件設(shè)計的可靠性。

有限狀態(tài)機(jī)；人機(jī)交互界面；uC/OS-Ⅱ

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)過程分析儀表的應(yīng)用越來越重要及廣泛，對工業(yè)分析儀表的性能的要求也越來越高。作為工業(yè)分析儀表的重要組成部分的人機(jī)交互界面，對工業(yè)分析儀表的性能有著重要的影響，由于目前CPU的處理能力已不是制約工業(yè)分析儀表系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展的主要障礙，所以人機(jī)交互界面的設(shè)計水平已經(jīng)成為決定整個儀表系統(tǒng)性能的主要制約因素。

工業(yè)儀表軟件開發(fā)的一個重要問題是與硬件的耦合過強(qiáng)。本文針對前工業(yè)分析儀表人機(jī)界面設(shè)計現(xiàn)狀和問題，提出了一種“基于小型化實時操作系統(tǒng)（μC/OS-II）+狀態(tài)機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計方法”；能夠較好地降低工業(yè)儀表設(shè)計過程中人機(jī)交互界面軟硬件過度耦合的問題，提高代碼的重用效率，降低開發(fā)周期并提高軟件設(shè)計的可靠性。

2 有限狀態(tài)機(jī)的形式化描述

2.1 有限狀態(tài)機(jī)。有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，簡稱FSM）是一種具有離散輸入輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它以一種“事件驅(qū)動”的方式工作，可以通過事件驅(qū)動下系統(tǒng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移，來表達(dá)一個控制系統(tǒng)的控制流程[1]。

2.2 層次式有限狀態(tài)機(jī)。對于像工業(yè)分析儀表HMI系統(tǒng)這樣較為復(fù)雜的系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)是無法對系統(tǒng)進(jìn)行清晰的建模，因此在這里采用一種層次式的FSM表達(dá)方法。層次式FSM類似于軟件工程中結(jié)構(gòu)化分析方法中的數(shù)據(jù)流圖，如圖1所示，其組織原則是：建模對象是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)劃分為多個相互協(xié)作的超狀態(tài)機(jī)（S1，S2，包含有子狀態(tài)機(jī)），每個超狀態(tài)機(jī)根據(jù)要求又被劃分為多個相互協(xié)作的子狀態(tài)機(jī)（S11，S12，S21，S22），不能被細(xì)分的子狀態(tài)機(jī)被稱為基狀態(tài)機(jī)（S11，S12，S21，S22）。

圖1 層次式FSM示意圖

在層次式FSM中，每個基狀態(tài)機(jī)都對應(yīng)著一個父級的狀態(tài)機(jī)，多個基狀態(tài)機(jī)的相互協(xié)作的狀態(tài)機(jī)子群構(gòu)成一個低層次的FSM。這樣子群內(nèi)狀態(tài)機(jī)間的層次和邏輯關(guān)系構(gòu)成了相應(yīng)FSM間的層次和邏輯關(guān)系。復(fù)雜系統(tǒng)的控制流程就可以由這樣一組FSM來表達(dá)：{一個頂層FSM，若干個一層FSM，若干個二層FSM，…}。

超狀態(tài)機(jī)至少包含了一個子狀態(tài)機(jī)，父狀態(tài)機(jī)對子狀態(tài)機(jī)的包含關(guān)系實質(zhì)上體現(xiàn)了子狀態(tài)機(jī)對父狀態(tài)機(jī)控制行為的繼承。這種繼承類似于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計模式的類繼承特性，有了這種繼承特性，在編程的時候可以按差異性進(jìn)行，只需要定義子狀態(tài)機(jī)和父狀態(tài)機(jī)行為的不同之處，而其它的則可以重用在父狀態(tài)中的定義，這便極大地優(yōu)化程序的結(jié)構(gòu)和提高了程序的可維護(hù)性。

2.3 界面化的FSM。有限狀態(tài)機(jī)FSM（Finite State Machine）由狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)換和活動組成。每個狀態(tài)有1個狀態(tài)進(jìn)入動作（entryaction）和1個狀態(tài)退出動作（exit action），每個轉(zhuǎn)換有1個源狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)并且與1個事件相關(guān)聯(lián)。另外當(dāng)初始化時，我們定義了一個初始化信號量；以及界面的刷新，我們定義了一個復(fù)位信號量。當(dāng)在源狀態(tài)時，該事件發(fā)生且觸發(fā)轉(zhuǎn)換的監(jiān)護(hù)條件為真，則順序執(zhí)行下列一些動作：①源狀態(tài)的退出動作；②轉(zhuǎn)換動作；③目標(biāo)狀態(tài)的進(jìn)入動作。

對狀態(tài)定義的信號量如下：

用軟件實現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)有兩種方法：表格法和過程驅(qū)動法。表格驅(qū)動法利用一個二維數(shù)組[2]，該數(shù)組中的短一行與一個狀態(tài)相對應(yīng)，每一列與一個輸入事件相對應(yīng)，每一項則與某一狀態(tài)下對事件的處理相對應(yīng)。表格驅(qū)動法適用于具有結(jié)構(gòu)規(guī)則、操作簡單的有限狀態(tài)機(jī)。

過程驅(qū)動法為每一個狀態(tài)都定義一個處理過程，處理過程實現(xiàn)在此狀態(tài)時對事件的響應(yīng)，包括輸出處理及對當(dāng)前狀態(tài)值的轉(zhuǎn)換。這個過程可以用case語句區(qū)分事件，并采用相應(yīng)的處理。無論采用何種方法實現(xiàn)FSM，當(dāng)FSM收到一條消息時必須知道當(dāng)前的狀態(tài)。為此，對應(yīng)每一個狀態(tài)機(jī)必須能夠保存當(dāng)前所處的狀態(tài)。過程法適用于實現(xiàn)一個具有幾種轉(zhuǎn)換和復(fù)雜操作的有限狀態(tài)機(jī)。

基于消息驅(qū)動的程序設(shè)計思想，為了保證系統(tǒng)的實時性，在中斷中只負(fù)責(zé)發(fā)送消息到相應(yīng)的任務(wù)的消息隊列，由應(yīng)用級的任務(wù)來處理，保證各個處理的時間是可確定的。主程序在消息循環(huán)中不斷地判斷各個任務(wù)的狀態(tài)，執(zhí)行進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。這就允許采用異步方式處理各種中斷及任務(wù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 狀態(tài)機(jī)的軟件實現(xiàn)。本系統(tǒng)程序中采用了兩組有限狀態(tài)機(jī)，運(yùn)用消息驅(qū)動的方式來驅(qū)動狀態(tài)的變更。一組是通信任務(wù)中以串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動為事件對象的有限狀態(tài)機(jī)，另一組是以用戶按鍵和命令碼驅(qū)動為事件對象的有限狀態(tài)機(jī)。

3.1.1 通訊的有限狀態(tài)機(jī)。為了保證通信的可靠，系統(tǒng)中采用停止等待協(xié)議。在發(fā)送數(shù)據(jù)前要對數(shù)據(jù)打包，接收到數(shù)據(jù)要先解包，處理器在接收主系統(tǒng)發(fā)過來數(shù)據(jù)包的后需要去掉通信協(xié)議字段，然后對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理。為此，定義了一個Frame-FSM類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

利用主機(jī)發(fā)送過來的消息驅(qū)動有限狀態(tài)機(jī)，串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動的有限狀態(tài)機(jī)包括以下幾種狀態(tài)；（1）任意狀態(tài)。（2）任意狀態(tài)（除了INIT_STATE之外）。（3）INIT_STATE，初始狀態(tài)。（4）AA_SYN_STATE，收到同步字符狀態(tài)。（5）SRC_ADDR_STATE，收到源地址狀態(tài)。（6）DEST_ADDR_STATE，收到目的地址狀態(tài)。（7）DATA_LEN_STATE，接收數(shù)據(jù)長度狀態(tài)。（8）DATA_STATE，接收正常數(shù)據(jù)狀態(tài)。（9）CHECKSUM_STATE，接收校驗和狀態(tài)。

對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（state transition diagram）如下圖所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.1.2 鍵值和命令碼驅(qū)動的有限狀態(tài)機(jī)

這組有限狀態(tài)機(jī)主要依靠用戶對菜單的操作進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即把鍵值和命令碼作為FSM的激勵源，其中鍵盤消息是最主要的激勵源。應(yīng)用層的FSM具有多種主狀態(tài)，用戶未按鍵或者是沒有接收到新的數(shù)據(jù)幀時，狀態(tài)處于IDLE_STATE；接收到消息后，轉(zhuǎn)入對應(yīng)的主狀態(tài)。然后，根據(jù)按鍵的不同或者是接收命令碼的不同，轉(zhuǎn)入對應(yīng)的子狀態(tài)進(jìn)行處理。任務(wù)處理完畢，再將狀態(tài)置為IDLE_STATE，按取消鍵，可回到上一級狀態(tài)。

以用戶控制儀表調(diào)零，系統(tǒng)開始處于IDLE_STATE（選中調(diào)零菜單選項）。若用戶按確認(rèn)，則進(jìn)入調(diào)零參數(shù)設(shè)置頁面，并顯示當(dāng)前設(shè)置的調(diào)零參數(shù).選擇確認(rèn)鍵，進(jìn)入確認(rèn)當(dāng)前調(diào)零狀態(tài)；選擇確認(rèn)件后儀表進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)，在該狀態(tài)執(zhí)行向上命令操作后，狀態(tài)重新轉(zhuǎn)入IDLE_STATE，并伴隨著輸出菜單的相應(yīng)變化，按取消鍵可回到上一級選擇狀態(tài)。對于其他按鍵，系統(tǒng)全部過濾掉不作響應(yīng)，狀態(tài)也不進(jìn)行轉(zhuǎn)換。儀表調(diào)零設(shè)置的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖所示。

圖3 儀表調(diào)零設(shè)置的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.2 基于μC/OS-II的模塊化設(shè)計

在實時操作系統(tǒng)μC/OS-II下，整個HMI分為四個模塊，三個任務(wù)來實現(xiàn)，分別是鍵值處理模塊、與主機(jī)通信模塊和時鐘模塊以及界面顯示模塊。（為了結(jié)構(gòu)的清晰，我們把鍵值的處理單獨(dú)成立一個任務(wù)，實際為了方便和實時性的處理，把鍵盤的處理放在TICK中處理也是很好的一種處理方法）。

3.2.1 鍵值處理模塊

OSTaskCreate（KEYTaskStart，（void*）0，&TaskKey-Stk[]，5）；

先初始化所有的模塊，然后在循環(huán)中接收并處理鍵盤的輸入，Key-Process（char Key Value）根據(jù)相應(yīng)的輸入鍵值和系統(tǒng)所處的狀態(tài)，對菜單進(jìn)行相應(yīng)的操作。

State_Trans（char RxData）根據(jù)鍵值輸入事件負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的狀態(tài)，并在相應(yīng)的狀態(tài)下，根據(jù)從主系統(tǒng)收到的信息顯示菜單。

3.2.2 主機(jī)通信模塊

OSTaskCreate（UARTTaskskStart，（void *）0，& TaskU-artStk[]，4）；

OSTaskCreate（CANTaskskStart，（void*）0，&TaskU-artStk[]，3）；

通過消息隊列OSQPend（OS_EVENT*pevent，INTl6U timeout，INT8U*err），接受串口或者CAN中斷發(fā)來的消息隊列，對其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在人機(jī)交互的過程中，需要大量的與主系統(tǒng)的交互，單獨(dú)用一個任務(wù)負(fù)責(zé)與主系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)串口和CAN接收數(shù)據(jù)驅(qū)動的有限狀態(tài)機(jī)。

3.2.3 時鐘模塊

OSTaskCreate（TimcTCk，（void*）0，&TimeTickStk[]，2）；

時鐘任務(wù)，使用處理器的時鐘中斷，可以設(shè)置各個任務(wù)需要的定時器，通過消息隊列發(fā)給需要定時的任務(wù)。

3.2.4 界面顯示模塊

OSTaskCreate（Task_HMIRun，（void*）'9'，&Task_HMI_Stk[TASK_HMI_STK_SIZE-1]，6）；

界面顯示任務(wù)，初始化狀態(tài)機(jī)，以及父狀態(tài)界面，通過獲取實時狀態(tài)，實現(xiàn)界面的切換和事件的處理。

4 測試

HMI系統(tǒng)的測試采用μC/OS-II V2.52較以前的版本，該版本增加了兩個系統(tǒng)任務(wù)：CPU負(fù)荷監(jiān)測任務(wù)與堆棧容量檢查任務(wù)。這兩個任務(wù)給程序的調(diào)試帶來很大的方便[3]。

將系統(tǒng)配置常數(shù)OS_TASK_STAT_EN設(shè)為l，統(tǒng)計任務(wù)OSTaskStat（）就會建立。它每秒鐘運(yùn)行1次，計算出當(dāng)前CPU的利用率，放在一個有符號的8位整數(shù)0SCPUUsage中，精確度是l%。μC/OS-II內(nèi)存是固定分配的，通過0STaskStkChk（）可確定每個任務(wù)實際需要的最大堆棧空間，根據(jù)測得結(jié)果合理地分配內(nèi)存空間。表l是用以上函數(shù)測出的系統(tǒng)參數(shù)。使用MC9S12XDT512單片機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的調(diào)試工具CodeWarrior，可跟蹤程序的運(yùn)行。通過運(yùn)行在PC機(jī)上CodeWarrior能夠追蹤程序中各種參數(shù)的變化，查看處理器內(nèi)存的使用情況。

表1 系統(tǒng)參數(shù)的測量結(jié)果

在實際測試中，采用μC/OS-II系統(tǒng)及有限狀態(tài)機(jī)的HMI系統(tǒng)，比普通前后臺系統(tǒng)的實時性提高35.2%，測試時間縮短14.3天，MTBF≥1440hour，代碼重用率≥75%，整體性能得到了很大的提高

結(jié)論。經(jīng)測試證明，使用實時操作系統(tǒng)前。運(yùn)用前后臺的程序設(shè)計方式。在需要顯示較多數(shù)據(jù)在屏幕上，同時又需要接收數(shù)據(jù)時，處理器處理不及時，可以通過調(diào)試工具CodeWarrior看到接收緩存接收的數(shù)據(jù)幀不完整，而不能正確地在屏幕上顯示數(shù)據(jù)。移植μC/OS-II操作系統(tǒng)之后，工作可靠，同時系統(tǒng)的反應(yīng)速度，即實時性有了很大提高。本章介紹的HMI系統(tǒng)與嵌入式主系統(tǒng)是獨(dú)立的模塊，可以靈活地在處理器上加載控制模塊，適合應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。

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