摘要：采用有限狀態(tài)機的方法設(shè)計了一種自動門控制系統(tǒng)軟件，可實現(xiàn)自動門的可靠開閉和精確檢測。本文介紹了自動門控系統(tǒng)控制及檢測要求，給出了有限狀態(tài)機的基本原理，建立了基于有限狀態(tài)機的程序設(shè)計模型，給出軟件設(shè)計的部分關(guān)鍵代碼。單步調(diào)試及裝車實測證明：有限狀態(tài)機模型有助于規(guī)范化解決控制系統(tǒng)軟件設(shè)計問題。

　　關(guān)鍵詞：有限狀態(tài)機；信號檢測；自動門控制

0引言

　　在某自動門控系統(tǒng)中，根據(jù)門控裝置配置的光電傳感器、接近開關(guān)、微動開關(guān)和控制按鈕的狀態(tài)，執(zhí)行開門、關(guān)門、鎖門及開關(guān)門二級緩沖動作。劃分門控系統(tǒng)運行狀態(tài)，確定不同輸入條件下門控系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，是設(shè)計自動門控系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵。本文根據(jù)自動門控系統(tǒng)配置傳感器的信號特征，合理劃分門控系統(tǒng)運行狀態(tài)，采用有限狀態(tài)機原理，設(shè)計了門控系統(tǒng)控制和監(jiān)測軟件，極大地提高了軟件設(shè)計可靠性。

1輸入信號特征

　　自動門控系統(tǒng)輸入信號包括：鎖門狀態(tài)信號、關(guān)門位置信號、關(guān)門檢測信號、開門檢測與位置信號、開門關(guān)門控制信號，分別以紅外傳感器、微動開關(guān)、接近傳感器和門按鈕實現(xiàn)物理動作與電信號轉(zhuǎn)換，嵌入式微控制器根據(jù)輸入信號的變化，按設(shè)計的控制邏輯，控制直流電機拖動自動門動作。自動門控系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　自動門控系統(tǒng)輸入信號特征如下：

　　(1） 鎖門狀態(tài)信號，電平電壓24 V、0 V有效，在紅外傳感器被鎖舌遮擋時，信號能夠保持低電平；

　　(2） 關(guān)門位置信號，電平電壓24 V、24 V有效，當(dāng)自動門門板上的金屬擋板觸碰微動開關(guān)使其閉合時，信號持續(xù)保持高電平；

　　(3） 關(guān)門檢測信號，電平電壓24 V、0 V有效，金屬擋板遮擋接近傳感器時，信號保持低電平；

　　(4） 開門檢測與位置信號，電平電壓24 V、0 V有效，金屬擋板遮擋接近傳感器時，信號保持低電平，金屬擋板通過接近傳感器后，信號恢復(fù)高電平；

　　(5） 開關(guān)門控制信號，由門按鈕按下時給出電平電壓為24 V的控制信號，有效時間<0.5 s，根據(jù)當(dāng)前門狀態(tài)控制直流電機的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

2輸入信號檢測方法

　　2.1檢測方式

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，檢測一個數(shù)字量，只需要檢測數(shù)字量端口的高低電平。為了提高檢測到的數(shù)字量的可靠性，一般采用濾波、多次檢測的方式［1］。但是對于自動門控系統(tǒng)，系統(tǒng)需要實時、快速、穩(wěn)定地檢測到輸入信號，因此要充分利用輸入信號特征，系統(tǒng)狀態(tài)對輸入信號的屏蔽要求進行信號檢測［2］。本文采用如下方法：

　　（1） 輸入信號中斷處理，沿觸發(fā)；

　?。?） 按鈕設(shè)備采用防抖處理；

　?。?） 針對不同門狀態(tài)，屏蔽無關(guān)輸入信號；

　?。?） 同時監(jiān)測各個門狀態(tài)下的設(shè)備信號。

　　通過上述幾種對輸入信號處理的方法，能夠?qū)崟r獲取輸入信號，及時處理。在這些信號處理的過程中，實際上是在自動門的多個狀態(tài)下分別獲取的，每一個狀態(tài)不僅與輸入信號相關(guān)，也與前一狀態(tài)相關(guān)［3］。

　　2.2劃分門狀態(tài)

　　在自動門工作過程中，通過接收輸入信號，根據(jù)當(dāng)前門狀態(tài)進行開門動作、關(guān)門動作、鎖門指示以及開關(guān)門二級緩沖等動作。自動門在同一時刻只能處于一種門狀態(tài)，同時為了提高自動門的可靠性，在一個門狀態(tài)下，程序能夠屏蔽其他無關(guān)設(shè)備信號的變化。

　　本文針對自動門控制系統(tǒng)，定義了6個門狀態(tài)：

　?。?） 開門狀態(tài)，表征自動門在完全開門后的停止狀態(tài)；

　?。?） 正在開門狀態(tài)，表征自動門從完全關(guān)門位向開門位移動的狀態(tài)；

　?。?） 關(guān)門狀態(tài)，表征自動門在完全關(guān)門后的停止狀態(tài)；

　　（4） 正在關(guān)門狀態(tài)，表征自動門從完全開門位向關(guān)門位移動的狀態(tài)；

　?。?） 鎖門狀態(tài)，表征自動門機械鎖死，衛(wèi)生間有人占用的狀態(tài)；

　?。?） 故障狀態(tài)，表征自動門輸入設(shè)備或自動門軌跡上有障礙物，無法正常開關(guān)門的狀態(tài)。

　　2.3關(guān)于有限狀態(tài)機

　　通過對信號處理的分析，采用有限狀態(tài)機的方式建模將使信號處理更加方便可靠。有限狀態(tài)機（Finite State Machine， FSM）常見于數(shù)字時序電路設(shè)計,是概念上、理論上的一種機器。有限狀態(tài)機包括：一組有限的狀態(tài)集，是描述系統(tǒng)中不同狀態(tài)的集合；一個起始狀態(tài)，指示系統(tǒng)開始時的狀態(tài)；一組輸入符號集，是系統(tǒng)接收的不同輸入信息的集合；一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，將輸入符號和當(dāng)前狀態(tài)映射到下一狀態(tài)［4］。

　　當(dāng)輸入符號串時，有限狀態(tài)機隨即進入起始狀態(tài)，在任意特定時刻，只能處于其中一種狀態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換依賴于當(dāng)前狀態(tài)、輸入符號（觸發(fā)條件）和轉(zhuǎn)換函數(shù)，轉(zhuǎn)換時間理論上為0［5］。

　　根據(jù)已定義的門狀態(tài)，各狀態(tài)機對應(yīng)的輸入符號集及狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

　?。?）S1,開門（STATE_OPENED）：門外開門按鈕觸發(fā)時保持，門內(nèi)開關(guān)門按鈕觸發(fā)或延時40 s后轉(zhuǎn)入正在關(guān)門狀態(tài)。在正在開門狀態(tài)下，當(dāng)開門接近開關(guān)由高電平轉(zhuǎn)為低電平時轉(zhuǎn)入。

　?。?）S2,關(guān)門（STATE_CLOSED）：無外部觸發(fā)時保持，門內(nèi)開關(guān)門按鈕、門外開門按鈕觸發(fā)時轉(zhuǎn)入正在開門狀態(tài)。在正在關(guān)門狀態(tài)下，當(dāng)微動開關(guān)由低電平轉(zhuǎn)為高電平時轉(zhuǎn)入；在鎖門狀態(tài)下，當(dāng)光電開關(guān)由低電平轉(zhuǎn)為高電平時轉(zhuǎn)入。

　?。?）S3,正在開門（STATE_OPENING）：在此狀態(tài)下，門按鈕觸發(fā)時保持，當(dāng)開門接近開關(guān)由高電平轉(zhuǎn)為低電平時轉(zhuǎn)入開門狀態(tài)。在關(guān)門狀態(tài)下，當(dāng)門按鈕觸發(fā)時轉(zhuǎn)入；在正在關(guān)門狀態(tài)下，當(dāng)異物或人阻擋門關(guān)閉時轉(zhuǎn)入。

　?。?）S4,正在關(guān)門（STATE_CLOSING）：在此狀態(tài)下，門按鈕觸發(fā)時保持，當(dāng)異物或人阻擋門關(guān)閉時轉(zhuǎn)入正在開門狀態(tài)。在開門狀態(tài)下，門內(nèi)開關(guān)門按鈕觸發(fā)時轉(zhuǎn)入；在故障狀態(tài)下，門內(nèi)開關(guān)門按鈕觸發(fā)時轉(zhuǎn)入。

　?。?）S5,鎖門（STATE_LOCKED）：在此狀態(tài)下，門按鈕觸發(fā)時保持，當(dāng)光電開關(guān)由低電平轉(zhuǎn)為高電平轉(zhuǎn)入關(guān)門狀態(tài)。在關(guān)門狀態(tài)下，光電開關(guān)由高電平轉(zhuǎn)為低電平時轉(zhuǎn)入。

　　（6）S6,故障（STATE_FAULT）：在此狀態(tài)下，門外開門按鈕觸發(fā)時保持，當(dāng)門內(nèi)開關(guān)門按鈕觸發(fā)時轉(zhuǎn)入正在關(guān)門狀態(tài)。在連續(xù)關(guān)門失敗兩次之后，門打開并轉(zhuǎn)入?；谟邢逘顟B(tài)機的門控制過程如圖2。

3設(shè)計實現(xiàn)

　　在自動門控制系統(tǒng)中，通過中斷檢測信號上升沿或下降沿變化，實時獲取相應(yīng)傳感器狀態(tài)信息并使系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一狀態(tài)，使用switch…case語句在每次循環(huán)中檢測系統(tǒng)狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)動作［6］。軟件程序使用C語言實現(xiàn)，包括程序定義狀態(tài)機、信號實時檢測、狀態(tài)執(zhí)行任務(wù)等［7］。

　　3.1狀態(tài)機

　　狀態(tài)機的定義為：

　　typedef enumSTATE

　　{

　　STATE_OPENED,//S1:開門狀態(tài)

　　STATE_CLOSED,//S2:關(guān)門狀態(tài)

　　STATE_OPENING,//S3:正在開門狀態(tài)

　　STATE_CLOSING,//S4:正在關(guān)門狀態(tài)

　　STATE_LOCKED,//S5:鎖門狀態(tài)

　　STATE_FAULT//S6:故障狀態(tài)

　　} STATE

　　3.2信號實時檢測

　　外部傳感器有一個關(guān)門微動開關(guān)，一個關(guān)門接近開關(guān)，一個開門接近開關(guān)，一個鎖門光電開關(guān)，另有兩個門按鈕——開門按鈕與開關(guān)門按鈕，分別連接至控制板的POS1,POS2,POS3,LOCK,SW1,SW2六個信號端口。由于各個傳感器的設(shè)計不同，微動開關(guān)采用24 V供電，高電平有效，兩個接近開關(guān)和一個光電開關(guān)采用24 V供電，低電平有效。在程序內(nèi)部，初始化四個信號端口對應(yīng)的I/O口，初始化中斷，其中微動開關(guān)、兩個門按鈕配置為上升沿觸發(fā)，關(guān)門接近開關(guān)、鎖門光電開關(guān)配置為下升沿觸發(fā)，開門接近開關(guān)上升下降沿觸發(fā)。信號檢測代碼位于中斷服務(wù)函數(shù)中［8］。

　　相關(guān)的中斷控制包括：

　?。?）微動開關(guān)信號上升沿進入中斷，系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為關(guān)門狀態(tài)；

　?。?）關(guān)門接近開關(guān)信號下降沿進入中斷，給出自動門關(guān)門減速控制信號；

　　（3）開門接近開關(guān)信號下降沿進入中斷，給出自動門開門減速控制信號，上升沿進入中斷，系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為開門狀態(tài)；

　?。?）鎖門光電開關(guān)信號下降沿進入中斷，系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為鎖門狀態(tài)，上升沿進入中斷，系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為關(guān)門狀態(tài)；

　　（5）門按鈕信號上升沿進入中斷，控制自動門開門或關(guān)門，同時設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)為正在開門狀態(tài)或正在關(guān)門狀態(tài)。

　　3.3狀態(tài)執(zhí)行任務(wù)

　　在進行狀態(tài)循環(huán)檢測之前，需要對系統(tǒng)上電之后的門狀態(tài)進行一次判斷，使門關(guān)閉。狀態(tài)循環(huán)檢測由while循環(huán)實現(xiàn)，采用switch語句在每個分支case對應(yīng)的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的動作。

　　while(1)

　　{

　　switch(STATE)

　　{

　　case STATE_OPENED:

　　ID1 = ID2 = 0;

　　DRV1 = DRV3 = 0;

　　TIM_SetCompare1(TIM3,DRV1);

　　TIM_SetCompare3(TIM3,DRV3);

　　……

　　break;

　　case STATE_CLOSED:

　　ID1 = ID2 = OCUP = 0;

　　DRV1 = 0, DRV3 = stopspeed;

　　TIM_SetCompare1(TIM3,DRV1);

　　TIM_SetCompare3(TIM3,DRV3);

　　……

　　break;

　　case STATE_OPENING:

　　if(BUFF_OPEN==0) OpenDoor_Control();

　　while(!BUFF_OPEN)

　　{

　　…… //電機過流檢測

　　}

　　CloseToOpen();

　　……

　　break;

　　case STATE_CLOSING:

　　if(BUFF_CLOSE==0) CloseDoor_Control();

　　while(!BUFF_CLOSE)

　　{

　　…… //電機過流檢測

　　}

　　OpenToClose ();

　　……

　　break;

　　case STATE_LOCKED:

　　ID1 = ID2 = OCUP = 1;

　　break;

　　case STATE_FAULT:

　　FAULT = 1;

　　break;

　　default:

　　delay_ms(5);

　　break;

　　}

　　}

4測試與驗證

　　4.1軟件仿真、在線仿真測試

　　采用KEIL自帶的軟件仿真工具進行測試。首先進行信號檢測任務(wù)的測試，通過軟件模擬給出外部設(shè)備信號，分步調(diào)試觀察外部設(shè)備信號的變化，能夠使程序跳入中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)，并在執(zhí)行完控制量設(shè)置之后能夠跳出中斷服務(wù)函數(shù)，回到主循環(huán)。其次進行有限狀態(tài)機功能測試，對于在不同狀態(tài)下接收到的每一個外部設(shè)備信號，確認是否能將其他無關(guān)信號屏蔽，能否在當(dāng)前狀態(tài)下產(chǎn)生相對應(yīng)的控制量，能否實時監(jiān)測相關(guān)信號是否正常，能否接收有效的外部設(shè)備信號并跳轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。

　　采用在線仿真測試，測試內(nèi)容與軟件仿真相似，不同之處是將JLINK在線調(diào)試器連接到控制板，外部設(shè)備信號由真實的外部設(shè)備給出，顯示輸出信號占用的指示燈和故障指示燈也連接到控制板上，在線調(diào)試的優(yōu)點在于既能做接近于真實情況的實驗，又能在線調(diào)試控制板，觀察各個信號的變化。

　　4.2裝車測試

　　此測試采用CRH380高速動車組列車的殘疾人衛(wèi)生間門控裝置以及傳感器，替換原有控制器。在裝車測試中，針對自動門關(guān)門、開門、緩沖、防夾功能以及故障、占用指示功能進行逐一測試。

5結(jié)論

　　采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)自動門狀態(tài)控制與檢測的方法，能夠可靠檢測外部設(shè)備信號，在相應(yīng)狀態(tài)下能夠屏蔽無關(guān)設(shè)備信號，提高了自動門實時控制的可靠性。

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