周莉娟，劉心剛，張志鵬

（中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇 無錫 214000）

基于有限狀態(tài)機的雷達(dá)狀態(tài)模型建立

周莉娟，劉心剛，張志鵬

（中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇 無錫 214000）

現(xiàn)代雷達(dá)具有功能多特點。針對雷達(dá)系統(tǒng)控制，采用傳統(tǒng)程序設(shè)計方法存在調(diào)試周期長，可移植性和可擴(kuò)展性差的特點。本文采用有限狀態(tài)機理論對雷達(dá)狀態(tài)進(jìn)行模型建立，根據(jù)狀態(tài)機理論，通過仿真建立相應(yīng)的狀態(tài)切換模型，工程實踐表明有限狀態(tài)機能較好的進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)控制設(shè)計，系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可移植性較好。

雷達(dá)；系統(tǒng)；狀態(tài)；有限狀態(tài)機

隨著新體制雷達(dá)和系統(tǒng)的研制，新理論和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，雷達(dá)技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段?，F(xiàn)代雷達(dá)具有狀態(tài)多，功能全，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層多的特點。在雷達(dá)系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，雷達(dá)狀態(tài)的管理是十分重要的內(nèi)容，它構(gòu)建了雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制的主體框架。雷達(dá)主控部分主要功能是將來自飛控計算機的數(shù)據(jù)接收分解并轉(zhuǎn)發(fā)給雷達(dá)相應(yīng)分機進(jìn)行控制，同時將各個分機狀態(tài)信息接收并提取出有用數(shù)據(jù)傳回主控軟件。傳統(tǒng)雷達(dá)主控系統(tǒng)管理主要采用流程圖設(shè)計，調(diào)試過程繁瑣，系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差，采用有限狀態(tài)機可有效解決這一問題。目前，有限狀態(tài)機在工作流定制，嵌入式TCP狀態(tài)機，串口通信協(xié)議狀態(tài)機等方面展開了運用[1-5]，有限狀態(tài)機還尚未應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制中。本文將有限狀態(tài)機首次應(yīng)用到雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制中，建立雷達(dá)狀態(tài)機模型，并運用到工程實際中，以實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制。

1 有限狀態(tài)機理論

有限狀態(tài)機（FSM，F(xiàn)inite State Machine）描述了有限個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型，由一組狀態(tài)，一個初始狀態(tài)，輸入并根據(jù)輸入及現(xiàn)有狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)，是不同狀態(tài)在事件控制下的變遷過程。狀態(tài)機具有四個要素：現(xiàn)態(tài)、條件（事件）、動作、次態(tài)。

定義:狀態(tài)機 M=（Q，Σ，δ，q0，F(xiàn)）

其中，Q—狀態(tài)的非空有窮集合。?q∈Q，q稱為M的一個狀態(tài)。

Σ—輸入字母表。

δ—狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，有時又叫做狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)或者移動函數(shù)，δ：Q×Σ→Q，δ（q，a）=p。

q0—M的開始狀態(tài)，也可叫做初始狀態(tài)或啟動狀態(tài)。q0∈Q。

F—M的終止?fàn)顟B(tài)集合。F被Q包含。任給q∈F，q稱為M的終止?fàn)顟B(tài)。

有限狀態(tài)機分為兩種模型，一種是摩爾型（Moore）狀態(tài)機，一種是米勒型（Mealy）狀態(tài)機。

1）Moore型狀態(tài)機。其特點是輸出與輸入無關(guān)，輸出只依賴于當(dāng)前狀態(tài)。該狀態(tài)機的特點是輸出在時鐘跳變后的有限個門延遲后輸出穩(wěn)定值，輸出在相當(dāng)長時間內(nèi)保持不變，優(yōu)點是行為比較簡單。

2）Mealy型狀態(tài)機。其特點是輸出在輸入變化后發(fā)生變化，輸出不僅依賴于狀態(tài)而且依賴于輸入，即當(dāng)前狀態(tài)與所有輸入信號的函數(shù)。該狀態(tài)機的特點是輸出在輸入變化后發(fā)生變化，輸入變化可能出現(xiàn)在時鐘周期內(nèi)的任何時候，對輸入的響應(yīng)比Moore機對輸入的響應(yīng)早一個時鐘周期，其優(yōu)點是狀態(tài)數(shù)目簡單。

2 模型建立

2.1 雷達(dá)系統(tǒng)框圖

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)框圖Fig.1 Radar system diagram

如圖1所示，雷達(dá)[6]主控系統(tǒng)是連接雷達(dá)與其他模塊的樞紐。雷達(dá)主控系統(tǒng)軟件接收航電飛控和導(dǎo)航信息，發(fā)送給信號處理和其他各個分機，實現(xiàn)對其進(jìn)行控制，同時接收各個分機的狀態(tài)信息。雷達(dá)主控發(fā)送給各個分機的信息依據(jù)雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)打包，雷達(dá)狀態(tài)構(gòu)建了雷達(dá)主體框架，因此首先對雷達(dá)狀態(tài)進(jìn)行劃分。

2.2 雷達(dá)狀態(tài)劃分

設(shè)計雷達(dá)狀態(tài)機[7]的主狀態(tài)為主狀態(tài)0（啟動狀態(tài)）、主狀態(tài)1、主狀態(tài)2、主狀態(tài)3、...主狀態(tài)N（自檢狀態(tài)）。狀態(tài)信息來源于上位機或者雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部劃分。各個主狀態(tài)下有相應(yīng)的子狀態(tài)。為規(guī)范雷達(dá)狀態(tài)切換，約定：

1）子狀態(tài)只能和相應(yīng)主狀態(tài)下子狀態(tài)相互切換，或者返回相應(yīng)主狀態(tài)。

2）主狀態(tài)只能進(jìn)入該級下子狀態(tài)或者在主狀態(tài)間相互切換。

2.3 雷達(dá)狀態(tài)機設(shè)計

首先設(shè)計狀態(tài)機框架，狀態(tài)機包含了三層結(jié)構(gòu)，第一層是狀態(tài)機，包括前一狀態(tài)ID、當(dāng)前狀態(tài)ID、缺省操作，狀態(tài)表（狀態(tài)結(jié)構(gòu)）。第二層是狀態(tài)表，包括狀態(tài)ID、狀態(tài)名、進(jìn)入操作、退出操作、缺省操作、狀態(tài)事件表（狀態(tài)事件結(jié)構(gòu)）。第三層是狀態(tài)事件結(jié)構(gòu)，包括操作、事件、下一狀態(tài)ID。下圖所示為狀態(tài)機組成框圖。

圖2 狀態(tài)機組成框圖Fig.2 Finite state machine diagram

按照狀態(tài)機組成框圖，可將雷達(dá)狀態(tài)機設(shè)計如下圖所示。雷達(dá)狀態(tài)機包括雷達(dá)控制事件ID、雷達(dá)當(dāng)前ID、缺省操作（default function）、雷達(dá)狀態(tài)表。其中雷達(dá)控制事件ID由航電系統(tǒng)分解得到，缺省操作為當(dāng)前狀態(tài)下雷達(dá)默認(rèn)的狀態(tài)處理，狀態(tài)表設(shè)計了雷達(dá)狀態(tài)切換的具體數(shù)據(jù)流的流向。

圖3 雷達(dá)狀態(tài)機框圖Fig.3 Radar finite state machine schematic diagram

在雷達(dá)狀態(tài)機設(shè)定過程中，首先給定雷達(dá)狀態(tài)的初始狀態(tài)，結(jié)合雷達(dá)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)表，根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)劃分，編寫雷達(dá)狀態(tài)表。缺省操作中制定了雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)和下一狀態(tài)之間跳轉(zhuǎn)的條件，在缺省操作中，打包雷達(dá)相應(yīng)參數(shù)信息。該設(shè)計已運用到工程實際中，在大型多功能雷達(dá)中體現(xiàn)出了優(yōu)越性。

3 狀態(tài)機程序設(shè)計

3.1 軟件流程圖

根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)機框圖，設(shè)計雷達(dá)軟件流程圖如下。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

3.2 程序?qū)崿F(xiàn)

程序設(shè)計軟件框架如下：

3.3 上位機仿真界面

采用Matlab GUI對雷達(dá)狀態(tài)機進(jìn)行仿真，如圖5所示。簡化模型中雷達(dá)狀態(tài)控制字為狀態(tài)1，狀態(tài)2，狀態(tài)3，返回狀態(tài)字為狀態(tài) 1，狀態(tài) 2，狀態(tài) 3，且圖中未顯示狀態(tài)下子狀態(tài)，在仿真模型下，點擊控制主狀態(tài)控制字1，通過狀態(tài)機運行，狀態(tài)字1返回值有效。控制主狀態(tài)控制字可進(jìn)入該狀態(tài)控制下的子狀態(tài)控制字，同時可在多個主狀態(tài)控制字之間切換。在實際控制模型中，控制和狀態(tài)根據(jù)實際情況具有種類多的特點，同時根據(jù)功能需求需添加更多功能，采用狀態(tài)機可實現(xiàn)控制和狀態(tài)的良好控制。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software interface diagram

4 結(jié) 論

文中研究了基于有限狀態(tài)機的雷達(dá)主控系統(tǒng)軟件設(shè)計，并運用到工程實際，將復(fù)雜的狀態(tài)變遷簡單化，通過對整個狀態(tài)機狀態(tài)的合理設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行。相比傳統(tǒng)軟件設(shè)計流程，有限狀態(tài)機設(shè)計具有功能可擴(kuò)展、層次結(jié)構(gòu)分明的特點，降低了軟件設(shè)計流程的復(fù)雜度，大大提高了軟件重開發(fā)和維護(hù)效率。

[1]李瑩，賈彬.一種基于狀態(tài)機的串口通信協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012，20（7）：100-107.

LI Ying，JIA Bin.Design and implementation of serial port communication protocol based on state machine[J].Electronic Design Engineering，2012，20（7）:100-107.

[2]王宗義，劉暉，李明宙.辦公自動化系統(tǒng)中狀態(tài)機工作流模型的設(shè)計和實現(xiàn)[J].廣西科學(xué)院學(xué)報，2012，28（1）:69-70.

WANG Zong-yi，LIU Hui，LI Ming-zhou.Design and implementation of state machine workflow model in office automation system[J].Journal of Guangxi Academy of Sciences，2012，28（1）:69-70.

[3]馮翠麗，劉波濤.嵌入式TCP狀態(tài)機的簡化研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2012，17（1）:58-61.

FENG Cui-li，LIU Bo-tao.Embedded TCP state machines simplification research[J].Journal of xi an University of Posts and Telecommunications，2012，17（1）:58-61.

[4]馬建輝，王知學(xué)，李研強.基于有限狀態(tài)機的車身防盜報警的實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2011，19（16）:147-149.

MA Jian-hui，WANG Zhi-xue，LI Yan-qiang.Implementation of body anti-theft alarm based on finite state machine[J].Electronic Design Engineering，2011，19（16）:147-149.

[5]包健，魏麗娜，趙建勇.基于有限狀態(tài)機的電梯控制系統(tǒng)故障診斷方法[J].計算機應(yīng)用，2012，32（6）:1692-1695.

BAO Jian，WEI Li-Na，ZHAO Jian-Yong.Fault diagnostic method of elevator control system based on finite state machine[J].Journal of Computer Applications，2012，32（6）:1692-1695.

[6]張明友，汪學(xué)剛.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[7]施先旺，劉婷婷，李國良.采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)控制指令的可靠檢測[J].火箭推進(jìn)，2011（5）：63-68.

SHI Xian-wang，LIU Ting-ting，LI Guo-liang.Control instruction detection realized by finite state machine[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（5）：63-68.

Model design of radar state based on finite state machine

ZHOU Li-juan， LIU Xin-gang， ZHANG Zhi-peng
（AVIC Radar and Electronics Equipment Research Institute， Wuxi 214000， China）

Modern radar has characteristics of multiple functions.As traditional design methods was long-period debugging，as well as transferable and expansive unsatisfactorily.This paper establishes the radar state model based on finite state machine theory，simulation of state model is also established.Engineering application shows the radar system control design operates well and has preferable system expansibility and translatability.

radar； system； state； finite state machine

10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.16.011

TN701

A

1674-6236（2014）16-0035-03

2013-10-16 稿件編號：201310098

周莉娟（1985—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師。研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。