Stateflow-建模与应用

第3章Stateflow建模与应用Stateflow是有限状态机（finitestatemachine）的图形工具，它通过开发有限状态机和流程图扩展了Simulink的功能。Stateflow使用自然、可读和易理解的形式，可使复杂的逻辑问题变得清晰与简单，并且还与MATLAB\Simulink紧密集成，为包含控制、优先级管理、工作模式逻辑的嵌入式系统设计提供了有效的开发手段，是本书的核心内容之一。读者在5~8章将看到Stateflow应用于MCU器件的嵌入式开发，尤其显得得心应手，一些采用传统方法难于实现的算法，如果利用Stateflow建模却非常容易。大到导弹、航空航天器的控制，小到点亮一个发光二极管，Stateflow都非常称职。Stateflow状态图模型，还可利用StateflowCoder代码生成工具，直接生成C代码。Stateflow的主要功能包括：使用层次化、可并行的、有明确执行语义的元素，来描述复杂的逻辑系统。采用流程图定义图形化函数。利用真值表实现表格形式的功能。使用临时逻辑处理状态转移与事件。支持Mealy和Moore有限状态机。可集成用户自定义的C代码。可用动画的形式显示状态图的仿真运行过程，并可记录数据。调试器使用图形化断点进行单步调试，并可观察其中的数据。本章主要内容：Stateflow工作原理与基本概念建立Stateflow状态图与流程图Stateflow的层次结构与并行机制Stateflow应用3.1Stateflow基本概念Stateflow对象可分为图形对象与非图形对象。图形对象有状态、历史节点、迁移、默认迁移、连接节点、真值表、图形函数、EmbeddedMATLAB函数、盒函数、Simulink函数；非图形对象有事件、数据、目标。本节首先介绍常用的对象：状态、迁移、数据、事件的概念和使用，连接节点留待3.3节、历史节点留待3.4节，其余对象留待3.5节说明。Stateflow状态机使用一种基于容器的层次结构管理Stateflow对象，也就是说，一个Stateflow对象可以包含其他Stateflow对象。最高级的对象是Stateflow状态机，它包含了所有的Stateflow对象，因此也就包含了Simulink中的所有Stateflow状态图，以及数据、事件、目标对象。同样地，状态图包含了状态、盒函数、函数、数据、事件、迁移、节点与注释事件（noteevents）。用户可以使用这一系列对象，建立一个Stateflow状态图。而具体到一个状态，它也可以包含上述的对象。图3.1.1抽象地说明了这样的关系，而图3.1.2则具体地说明了Stateflow状态机的组成。状态机状态图状态/盒函数/函数数据/事件数据/事件状态/盒函数/函数状态/盒函数/函数迁移迁移标注标注节点节点数据/事件数据/事件节点节点标注标注迁移迁移数据/事件数据/事件目标目标图3.1.1Stateflow层次机构（数据字典）图3.1.2Stateflow状态机的组成3.1.1状态图编辑器在Simulink模块库浏览器，找到Stateflow模块，如图3.1.3所示，添加入模型窗口，如图3.1.4所示。图3.1.3Stateflow模块用户也可以使用以下命令，建立带有Stateflow状态图的Simulink模型，如图3.1.4所示，同时打开Stateflow模块库，如图3.1.5所示。sf图3.1.4带有Stateflow状态图的Simulink模型图3.1.5Stateflow模块库用户还可以直接使用以下命令，快速建立带有Stateflow状态图的Simulink模型。sfnew双击Chart模块，打开Stateflow编辑器窗口，如图3.1.6所示，左侧工具栏列出了Stateflow图形对象的按钮。图3.1.6Stateflow编辑器窗口3.1.2状态状态可以理解为事件驱动系统中的模式，可分为激活与非激活状态，而状态是否激活则是由状态图中的事件与条件决定的，若没有预先定义的事件或条件发生，状态将一直保持其原先的激活或非激活状态。1.状态的层次结构状态可以包含除了目标（详见第3.6.6节）以外的所有Stateflow对象，所以状态内部可以有其他状态，如图3.1.7所示，处于外层的A称作超状态（或父状态），处于内部的B称作子状态。每一个状态都有其父状态，图3.1.7中，状态A的父状态就是Stateflow状态图本身。图3.1.7超状态与子状态2.状态的横向结构在Stateflow状态图的顶层或某一超状态下，通常并存有多个状态，它们之间的关系可分为互斥与并行。(1)互斥状态（OR）互斥状态的矩形框边缘显示为实线，同一级的互斥状态，至多允许激活一个状态。如图3.1.8所示的状态图，状态A与状态B是互斥的，它们只能有一个处于激活状态；当状态A被激活时，同样其子状态A1与A2也只能有一个处于激活状态。图3.1.8互斥状态(2)并行状态（AND）并行状态的矩形框边缘显示为虚线，同一级的并行状态，可在同一时刻被激活。如图3.1.9所示的状态图。状态A与状态B是并行的，它们可同时处于激活状态；子状态A1与A2也同时处于激活状态，而子状态B1与B2只能有一个处于激活状态。图3.1.9并行状态状态层次结构与并行机制的详细概念与应用，见3.4与3.5节。3.状态标签状态名仅是状态标签的一部分，完整的标签格式如下，第一行是状态名，以下若干行是各类动作，用户可以设置全部或部分的状态动作，当然也可以不设置任何动作。name/状态名entry:entryactions进入该状态时的动作during:duringactions处于该状态时的动作exit:exitactions退出该状态时的动作onevent_name:onevent_nameactions某事件发生时的动作bind:events,data指定需要限制作用范围的事件与数据①状态名状态名可由字母、数字、下划线组成，如果状态名后跟随的是回车符，则斜线是可有可无的。根据Stateflow的分层结构，同级的各个子状态不允许重名，但不同级的状态则不受限制。图3.1.10所示的Stateflow状态图是有效的，尽管看上去状态C1、C2有重名现象，但在Stateflow分层结构中，它们的全名分别是：A.OnA.OffB.OnB.Off图3.1.10状态名②状态动作状态动作如表3.1.1所列。表3.1.1状态动作类型动作类型缩写说明entryen进入当前状态时的动作duringdu处于当前状态，并且某事件发生时的动作Executeswhenthestateisactiveandaspecificeventoccursexitex离开当前状态时的动作bind无约束一个事件或数据，使得仅当前状态及其子状态有权限广播该事件或修改该数据onevent_name无当前状态接收1次广播事件时的动作onafter(n,event_name)无当前状态完整接收n次广播事件后的动作onbefore(n,event_name)无当前状态完整接收n次广播事件前的动作onat(n,event_name)无当前状态完整接收n次广播事件时的动作onevery(n,event_name)无当前状态每接收n次广播事件时的动作每个动作类型，用户可指定多个具体动作，每个动作之间以回车、分号、逗号区隔，动作类型关键词后必须跟随一个半角冒号。(1)entry动作关键词为entry（或缩写为en）。如果用户在状态名后加入斜线，并直接跟随具体动作，则该动作默认为进入动作。如图3.1.11所示，进入状态A时，y=3，同时又执行y++，最终的结果y=4。图3.1.11entry动作(2)during动作关键词为during（或缩写为du）。如图3.1.12所示，进入状态A时，y=3，同时不断执行y++。若求解器的定点步长取0.2，仿真时长取2，则最终的结果y=13。图3.1.12during动作(3)exit动作关键词为exit（或缩写为ex）。如图3.1.13所示，系统处于状态A，当A的激活时间达到5个仿真步长，退出状态A，进入状态B，最终的结果y=4，如图3.1.14所示。图3.1.13exit动作图3.1.14输出结果(4)广播事件动作表3.1.1所列的广播事件动作，能实现各种的事件触发。以单次广播事件动作为例，关键词为onevent_name，其中event_name表示某一广播事件名，事件名应是唯一的。如图3.1.15所示，系统处于状态A，当检测到事件stop，立即执行c()。图3.1.15广播事件动作(5)bind动作关键词为bind。如图3.1.16所示，变量y、事件start被绑定在状态A，这表示仅有A状态及其子状态有权限修改变量y并广播事件start，其他状态B能够读取变量y、监听到事件start，但无权修改变量y、广播事件start。图3.1.16bind动作若运行该状态图，系统提示变量y仅能由状态A及其内部的状态迁移修改，事件start仅能在状态A。图3.1.17错误提示与其他动作不同，bind动作不需要判断当前状态是否已激活，也就是说它在整个Stateflow状态图范围内都是有效的，因此不同状态不允许约束同一个变量与事件。如图3.1.18所示，状态A、B同时约束了变量y，系统提示这是不允许的。图3.1.18无效的bind动作图3.1.19错误提示3.1.3迁移1.迁移Stateflow状态图使用一条单向箭头曲线表示迁移，它将两个图形对象连接起来，多数情况下，迁移是指系统从源状态向目标状态的转移。在迁移曲线上加上标签，可以指定系统在何种条件下从源状态向目标状态转移。如图3.1.20所示，当系统处于状态A1时间达到1秒，即向状态A2迁移。图3.1.20状态迁移2.默认迁移默认迁移是一种特殊的迁移形式，它没有源对象。用于指定同一级有多个互斥状态并存时，首先激活的状态。某些情况下，默认迁移也可以加入标签，限制其所指向目标状态的激活。如图3.1.21所示，状态A1与A2是互斥的，当它们的父状态A激活时，状态A1也同时激活。图3.1.21默认迁移3.迁移标签迁移标签的完整格式如下，它可用于一般迁移与默认迁移，如图3.1.22所示。event[condition]{condition_action}/transition_action图3.1.22完整的迁移标签各字段的意义如表3.1.2所示：表3.1.2迁移标签字段标签字段说明event引发迁移的事件[condition]条件动作与迁移的发生条件{condition_action}当条件为真时，执行的动作/transition_action发生迁移，进入目标状态前所执行的动作①事件指定迁移的触发事件。如果用户另行指定了触发条件，则当条件为真，且发生该触发事件时，即发生迁移。这是个可选项，如果用户不指定触发事件，则任何事件都能够引发该迁移。多个触发事件之间使用逻辑或运算符“|”分隔。如图3.1.20，当条件after(1,sec)为真时，触发了迁移，系统状态从A1变成A2。②条件条件是一个布尔表达式，当它为真时，一旦发生指定的触发事件，则发生迁移。条件表达式的前后必须使用方括号“[]”包围。如图3.1.23所示，当条件[y=3]为真时，发生迁移。③条件动作当条件表达式为真时，立刻执行条件动作。若事先未指定条件，系统则假设条件为真，并执行该条件动作。如图3.1.23所示，当条件[y=3]为真，条件动作{y=10}立刻执行。④迁移动作当迁移目标有效时，执行迁移动作。若迁移标签由多个字段组成，则当整个标签有效时，执行迁移动作。如图3.1.23所示，当条件[y=3]为真，且目标状态B有效时，发生迁移，并执行迁移动作z=20。运行结果如图3.1.24所示：图3.1.23迁移条件与动作图3.1.24输出结果4.迁移有效条件对于非默认的迁移，当源对象处于激活状态的且迁移标签有效时，发生迁移；对于默认迁移，当其父状态被激活时，发生迁移。表3.1.3列出了迁移