详解Stateflow建模与应用实例.docx
《详解Stateflow建模与应用实例.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《详解Stateflow建模与应用实例.docx（87页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
详解Stateflow建模与应用实例
port_label（'input',1,'signal'）;
port_label（'output',1,'gain'）;
port_label（'output',2,'saturation'）;
port_label（'output',3,'sample'）;
port_label（'output',4,'error'）;
image（imread（'dianji.jpg'））
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。
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.On
A.Off
B.On
B.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
entry
en
进入当前状态时的动作
during
du
处于当前状态，并且某事件发生时的动作
Executeswhenthestateisactiveandaspecificeventoccurs
exit
ex
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列出了迁移标签的有效条件，用户可以根据需要，选择性地输入迁移标签的部分或全部字段。
表3.1.3迁移标签有效条件
标签内容
标签有效条件
仅事件
该事件发生
事件与条件
该事件发生及条件为真
仅条件
任何事件发生及条件为真
仅行动
任何事件发生
空
任何事件发生
3.1.4数据与事件
图3.1.1所示的数据字典中，数据与事件是合并在一个圆圈内的，这表明他们有相似之处，这里合并介绍。
1.数据
数据是非图形的对象，它有一个很重要的特性：
作用域，用户在使用数据时必须明确定义该特性。
根据作用域的不同，数据可分为：
●Stateflow状态图本地数据（Local）；
●自外部Simulink模块输入的数据（InputfromSimulink）；
●向外部Simulink模块输出的数据（OutputfromSimulink）；
●临时数据
●定义在MATLAB工作空间的数据；
●常数（Constant）；
●向Simulink模型与Stateflow状态图外部的目标（代码）导出的数据；
●自Simulink模型与Stateflow状态图外部的源代码导入的数据。
数据的简单使用，见3.2.4小节。
2.事件
事件也是非图形的对象，它驱动着整个Stateflow状态图的运行。
如同数据，事件同样有它的作用域，
根据作用域的不同，事件可分为：
●Stateflow状态图本地事件；
●自外部Simulink模块输入的事件；
●向外部Simulink模块输出的事件；
事件的简单使用，见3.2.4；事件的分类，见3.5各小节。
3.动作
Stateflow状态图支持状态动作、条件动作、迁移动作，已在上文做了简要介绍。
这里所说的动作可以是一个函数调用，广播事件，数学运算等等。
例如：
函数调用：
ml.log10（x）;……
事件广播：
Start;Stop;……
数学运算：
x=1;y=2;z=x+y;……
3.1.5对象的命名规则
以上简要介绍了常用对象的概念，用户可以使用任意的字母、数字与下划线的组合为这些对象命名，但名称不能以数字开头，中间也不能有空格。
由于Real-TimeWorkshop代码生成工具的限制，对象的名称不能超过一定长度，用户可以在模型参数设置对话框的Real-TimeWorkshop→Symbols面板进行修改，默认的长度是31，最大的长度是256，如图3.1.25所示。
图3.1.25设置对象名称的长度
表3.1.4列出了一些关键字，它们是Stateflow动作语言的组成部分，因此是不能用来为对象命名的。
表3.1.4关键字
关键字
在Stateflow中的用途
hasChanged,hasChangedFrom,hasChangedTo
变更监测
complex,imag,real
复数数据
boolean,double,int8,int16,int32,
single,uint8,uint16,uint32
数据类型
cast,fixdt,type
数据类型操作
send
明确事件
change,chg,tick,wakeup
隐含事件
false,inf,true,t
标志位
matlab,ml
MATLAB函数与数据
bind,du,during,en,entry,ex,exit,on
状态动作
in
状态激活
after,at,before,every,sec,temporalCount
时间逻辑
3.2Stateflow状态图
长跑比赛时，通常要用到以圈计时的方法，它的意思是：
计时器初次开启时，2组数码管皆清零；运动员出发时，按下Start按钮开始计时，数码管1显示实时时间；第一次回到起点，表示跑完一圈，这时按下LAP按钮，数码管2显示当前的时间值，表示一圈所花费的时间，但比赛仍在进行，因此计时器仍然在计时；再次按下Start按钮，2组数码管同时显示最后的时间；第三次按下Start按钮，2组数码管清零，回到初始状态。
本节以此为例，说明Stateflow状态图的建立过程。
3.2.1状态
1.添加状态
新建一个空白的Stateflow模型，单击状态按钮，并在Stateflow窗口的适当位置再次单击，加入一个状态，如图3.2.1所示。
在加入之前，用户可随时按下键盘的ESC键，或再次单击按钮，取消添加。
图3.2.1添加状态
2.状态命名
在状态矩形框左上角的编辑提示符后，输入状态的名称，如stop，如图3.2.2所示。
若需要修改状态名，可将鼠标移至名称附近，待光标变成编辑样式时，再单击修改，如图3.2.3所示。
图3.2.2状态命名图3.2.3状态名修改
3.添加子状态
将鼠标移至状态矩形框4个角落的任意一个，调整其大小，如图3.2.4所示。
图3.2.4调整状态框
再按步骤①、②，添加状态Reset、Finished，放置在状态Stop的矩形框内，这时Stop为超状态，Reset、Finished为子状态，如图3.2.5所示。
图3.2.5父状态与子状态
3.2.2迁移
1.添加迁移
将鼠标移至源状态矩形框的边缘，当光标变成十字时，如图3.2.6所示，按下左键并拖向目标状态的边缘，然后释放，如图3.2.7所示，即添加了一个迁移。
图3.2.6迁移起点图3.2.7迁移终点
2.添加默认迁移
单击
，将鼠标移至默认状态矩形框的水平或垂直边缘，如图3.2.8所示。
图3.2.8选择默认迁移
再次单击，即添加了一个默认迁移，如图3.2.9所示。
图3.2.9添加默认迁移
由于Stop是父状态，还需要针对其中的子状态，设置默认迁移，如图3.2.10所示，关于Stateflow的层次结构，详见3.4节。
图3.2.10添加子状态默认迁移
3.迁移变更
鼠标放置在迁移的起点或终点，当光标变成圆圈时（图3.2.11），按住鼠标左键，可将该端点移至其他状态，如图3.2.12所示。
图3.2.11开始迁移变更图3.2.12完成迁移变更
将默认迁移的起点移至某一状态，即转换为一般迁移；将一般迁移的起点悬空，即转化为默认迁移，如图3.2.13所示，若迁移终点悬空，则该迁移无效，如图3.2.14所示。
图3.2.13迁移起点变更图3.2.14迁移终点变更
4.迁移标签
新建的迁移标签不包含任何文字信息，用户单击迁移曲线一次，曲线上方显示“？
”如图3.2.15所示：
图3.2.15添加迁移标签
将鼠标移至“？
”附近，再次单击，当显示编辑光标时，可编辑迁移标签，如图3.2.16所示。
图3.2.16编辑迁移标签
完成编辑后，将鼠标放在标签的任意位置，按住左键并拖动，调整标签的位置，如图3.2.17所示。
图3.2.17移动迁移标签
3.2.3计时器状态图
根据以圈计时的特点，整个系统可分为2个父状态：
停止与运行。
停止状态包含2个子状态：
计时器清零Reset、计时器停止Finished；运行状态也包含2个子状态：
计时器运行Running、以圈计时LAP。
如图3.2.18所示：
图3.2.18添加4个状态
再根据各状态之间的联系，添加默认迁移、迁移以及迁移标签，如图3.2.19所示。
图中的迁移标签start表示按下start按钮这个事件，而LAP则表示按下LAP按钮。
图3.2.19添加迁移及迁移标签
3.2.4数据与事件
以圈计时需要2组数码管显示当前以及记录的分、秒、百分秒，另有两个按钮，为此需要添加6个数据与2个事件。
数据是向外输出的，而事件是自外输入的。
添加数据或事件的方法有两种：
使用菜单项Add或使用模型浏览器（ModelExplorer）。
前者的优势是添加方便，但菜单项仅提供了添加功能，无法通过菜单删除已添加的数据或事件，因此我们推荐用户使用模型浏览器。
为了照顾读者的不同需求，本文仍旧介绍两种添加方式。
1.菜单项
在Stateflow编辑器窗口，选择菜单项Add→Data→OutputtoSimulink，如图3.2.20所示。
图3.2.20添加输出数据
在Name栏填入输出变量名min，另外用户在scope栏还可以再次决定变量的作用域，如图3.2.21所示。
图3.2.21修改数据名及作用范围
2.模型浏览器
在Stateflow状态图的顶层（即不选中任何图形对象），选择菜单项Tools→Explore，或直接按下Stateflow编辑器窗口的工具栏按钮
，打开模型浏览器，并确认已选中左侧模型结构图中的Chart节点，如图3.2.22所示。
图3.2.22模型浏览器
在浏览器窗口的工具栏找到按钮
、
与
，添加一个数据/事件或删除对应项。
在中部窗口选中数据/事件的条目，右侧窗口即显示它的属性，如图3.2.23所示。
与菜单项方法不同的是，使用浏览器添加的数据/事件，默认的作用域是本地（Local），用户需要手动修改为外部输入或外部输出。
图3.2.23利用模型浏览器修改数据
对于事件，用户还需指定它的触发方式，Rising表示上升沿、Failing表示下降沿，而Either表示上升或下降沿皆可触发，本例的两个输入事件start与LAP皆选用Either方式触发，如图3.2.24所示。
图3.2.24利用模型浏览器修改事件
有多个数据或事件时，用户还可以指定它们的端口号，合理地排列这些端口，将有利于以后的Simulink模块连线。
如图3.2.25所示，是完整的数据与事件列表。
图3.2.25数据与事件列表
3.2.5动作
上文提到，显示时间值可以定义为状态动作，也可以定义为迁移动作。
为不失一般性，本小节分别说明这两种动作的定义方法。
计时器复位时，2组数码管皆应清零，因此设置子状态Reset的进入动作为：
Reset
entry:
min=0;sec=0;percent=0;
minbuf=0;secbuf=0;percentbuf=0;
按下LAP按钮或再次按下start时，数码管2都必须显示当前时刻，因此设置子状态LAP与Finis
升级会员 