1. 引言
1.1 工控軟件的一般問題
工控軟件設(shè)計可分為基于控制環(huán)和基于實時操作系統(tǒng)兩大類。控制環(huán)是把各個功能模塊連接成首尾相接的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。其特點為任何一個功能模塊都不能出現(xiàn)死循環(huán)，甚至循環(huán)次數(shù)太多的循環(huán)語句都應(yīng)避免出現(xiàn)。以保證能夠在實時意義上盡可能快地遍歷各功能模塊，從而滿足實時多任務(wù)的需求。在各功能模塊中一般用狀態(tài)機(jī)來描述模塊所處的狀態(tài)。而實時操作系統(tǒng)則可以通過一套底層機(jī)制根據(jù)優(yōu)先級和各任務(wù)狀態(tài)調(diào)度各功能模塊。此時各功能模塊就以“任務(wù)”作為表現(xiàn)形式。但是在每個任務(wù)內(nèi)部仍然為一個獨立的控制環(huán)結(jié)構(gòu)，仍然需要用狀態(tài)機(jī)描述。本文將結(jié)合工程實踐論述狀態(tài)機(jī)在工控中的應(yīng)用，給出通用模型和注意要點。
1.2 有限狀態(tài)機(jī)
有限狀態(tài)機(jī)是一種重要的思想方法。從數(shù)學(xué)的角度看，它實際是一個五元組M = （I, O, S, δ, λ），其中I，O分別表示輸入輸出，S為狀態(tài)向量，δ為次態(tài)方程（δ: S×I ->S）， 表示輸出方程（λ: S×I -> O）。有限狀態(tài)機(jī)從結(jié)構(gòu)體系上有層級狀態(tài)機(jī)，并發(fā)狀態(tài)機(jī)等。層級狀態(tài)機(jī)類似于軟件中的子程序調(diào)度：更高層的一個狀態(tài)對應(yīng)于較低層的一個狀態(tài)機(jī)。這個高層的狀態(tài)處于底層狀態(tài)機(jī)的某個狀態(tài)中。這個低層狀態(tài)稱為子狀態(tài)。與子程序調(diào)用受到系統(tǒng)堆棧深度制約不一樣，層級狀態(tài)機(jī)可以由開發(fā)者根據(jù)控制對象的層次性運動規(guī)律任意指定深度。與子程序的目的一樣，層級狀態(tài)機(jī)也是為了提高控制軟件的模塊化程度，降低狀態(tài)分析的復(fù)雜度。并發(fā)狀態(tài)機(jī)偏重于描述狀態(tài)機(jī)的調(diào)度。狀態(tài)機(jī)本身不能實現(xiàn)什么并發(fā)功能，并發(fā)的實現(xiàn)是通過軟件調(diào)度的。如果把狀態(tài)機(jī)理解成一個任務(wù)，那么就能理解并發(fā)的實現(xiàn)。在控制環(huán)中，一個“任務(wù)”就是一個功能模塊，我們只需要把多個狀態(tài)機(jī)串聯(lián)在環(huán)中，也就是實現(xiàn)了多輸入多輸出的并發(fā)控制。此時，多個狀態(tài)機(jī)在空間上是并存的，然而卻是分時調(diào)用的，調(diào)用的周期等同于控制環(huán)掃描一周的時間。不過如果CPU運算速度足夠快，這個周期將會足夠的快，達(dá)到“實時”的程度，從而這多個狀態(tài)機(jī)也就實現(xiàn)了“并發(fā)”運行。同理，在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，“并發(fā)”的實現(xiàn)就更容易理解了，除了在單個任務(wù)內(nèi)存在控制環(huán)的并發(fā)控制外，在任務(wù)之間也同樣存在多狀態(tài)機(jī)的并發(fā)運行。當(dāng)然，從CPU的角度而言，只要是單核的，也就從來不存在真正的“并發(fā)”，它在任何一個特定的時間點都只能處理某個特定狀態(tài)機(jī)。不過多任務(wù)操作系統(tǒng)卻提供了一套底層機(jī)制來調(diào)度原來僅靠控制環(huán)來調(diào)度的任務(wù)。
2.有限狀態(tài)機(jī)在前后臺信息交互中的作用
工控系統(tǒng)一般都具有人機(jī)對話界面。其通常的操作模式為用戶進(jìn)入某個頁面，選取某項操作并執(zhí)行。人機(jī)對話界面通常被設(shè)定為一個獨立模塊。該模塊軟件結(jié)構(gòu)為一個消息控制環(huán)。用戶在硬件接口的操作會通過接口的驅(qū)動程序封裝成消息加入到專屬界面模塊的消息隊列中。消息控制環(huán)循環(huán)掃描該隊列，如有新消息則提取并解釋然后封裝成新消息發(fā)往后臺執(zhí)行。前后臺軟件的接口模塊負(fù)責(zé)分發(fā)界面消息到各個執(zhí)行模塊。消息應(yīng)包括目標(biāo)模塊的編碼，命令編碼以及命令參數(shù)。前后臺接口模塊的軟件結(jié)構(gòu)多采用以下兩種模式。
圖1 兩種消息分發(fā)結(jié)構(gòu)
模式一的輸出結(jié)構(gòu)根據(jù)消息數(shù)據(jù)的目標(biāo)模塊編碼直接分發(fā)消息到各模塊中。模式二則是根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)再分發(fā)消息到各模塊中。也就是說模式二在模式一的基礎(chǔ)上增加了一個系統(tǒng)級的狀態(tài)機(jī)。下面我們看看兩種不同的輸出結(jié)構(gòu)會帶來何種影響。
工控軟件設(shè)計者通常會碰到兩種情況。一是在研發(fā)階段，界面任務(wù)與控制任務(wù)聯(lián)調(diào)時，雙方均有可能出錯。對于界面任務(wù)而言，有可能自身原因誤發(fā)消息;而對控制任務(wù)，也有可能輸出時序出錯。此時需要在聯(lián)調(diào)中快速定位故障，縮短研發(fā)周期。二是在產(chǎn)品運行中由于惡劣工況的影響，導(dǎo)致緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)生異常。比如消息頭的模塊編碼發(fā)生位翻轉(zhuǎn)，則會直接導(dǎo)致控制任務(wù)接收到錯誤的界面消息。對于模式一，如果界面消息出錯則會出現(xiàn)全局的混亂。比如模塊1收到消息后開始輸出一個控制時序，期間界面層又發(fā)來一個錯誤的消息，使其分發(fā)到模塊2，于是模塊2馬上開始輸出時序。這個不希望輸出的時序在工控中有可能會導(dǎo)致災(zāi)難。而在聯(lián)調(diào)時出現(xiàn)這種現(xiàn)象，則無法立刻判斷到底是模塊1還是界面層出的問題。但如果采用模式二則可以屏蔽這種混亂。如下圖
圖2 不同分發(fā)結(jié)構(gòu)對錯誤消息的處理示意圖
我們可以看到由于模式二采用全局狀態(tài)機(jī)標(biāo)定當(dāng)前軟件所處的狀態(tài)，消息首先會到達(dá)相應(yīng)的狀態(tài)處理程序，然后才進(jìn)行分發(fā)。此時分發(fā)語句可以根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)屏蔽不應(yīng)該被調(diào)用的模塊。即使消息出現(xiàn)錯誤，也會過濾掉，等待正確消息的到來。而且可進(jìn)一步優(yōu)化為當(dāng)收到錯誤消息可以通知界面層。可見在控制軟件前后臺的接口層增加一個標(biāo)記后臺狀態(tài)的全局狀態(tài)機(jī)有助于增強軟件的健壯性。
3.狀態(tài)機(jī)的錯步問題
工控軟件本質(zhì)上是根據(jù)一定的邏輯條件給出有序的輸出。根據(jù)輸出的次序可以劃分不同的狀態(tài)。邏輯條件在嵌入式領(lǐng)域中就是用戶的輸入和傳感器的狀態(tài)。正是這些條件決定了狀態(tài)的躍遷。在這里我們探討的是根據(jù)傳感器輸入而建立的狀態(tài)機(jī)。很明顯，它的運行速度比前述系統(tǒng)級狀態(tài)機(jī)高很多。這種狀態(tài)機(jī)分布在軟件的控制層中，正是它們使得受控對象能夠有序精確高速的運行。對于這樣高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)機(jī)，如果考慮不周全，會使其產(chǎn)生失步或者跳步，即高速狀態(tài)機(jī)中的錯步現(xiàn)象。由于控制層的狀態(tài)機(jī)的躍遷條件來源于傳感器信號，如果不能完全跟蹤到傳感器信號的變化，則躍遷條件將被遺漏，導(dǎo)致狀態(tài)機(jī)不能躍遷到新的狀態(tài)。這就會導(dǎo)致失步。有兩種情況會導(dǎo)致傳感器信號的檢測遺漏：一是采樣頻率不夠高，漏掉了一些保持時間較短的信號。這可以通過硬件上提高采樣頻率得到解決。二是狀態(tài)機(jī)設(shè)計的缺陷，詳見以下例子。
圖3 出現(xiàn)失步的狀態(tài)機(jī)
由圖3可以看出，狀態(tài)1根據(jù)傳感器a信號躍遷到狀態(tài)2，狀態(tài)2根據(jù)傳感器b信號躍遷到狀態(tài)3。如果b信號在a信號前發(fā)出了一個完整的脈沖，由于根據(jù)狀態(tài)圖在狀態(tài)1時并不需要檢測b信號，因此當(dāng)躍遷到狀態(tài)2以后，狀態(tài)機(jī)就出現(xiàn)失步了。解決這個問題需要預(yù)先分析好a，b信號的關(guān)系。如果是b信號一定出現(xiàn)在a信號前，那不妨把狀態(tài)1和2的條件判斷對調(diào)，如果兩個信號是并發(fā)關(guān)系的，那就要合并狀態(tài)機(jī)1，2，把a，b信號作為躍遷到3的綜合條件。因此解決失步問題的要點在于仔細(xì)考察受控對象處于此狀態(tài)時所可能出現(xiàn)的傳感器信號變化及其變化關(guān)系。
在處理“輸入-輸出對”時要注意防止?fàn)顟B(tài)機(jī)跳步。“輸入-輸出對”是嵌入式領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的控制模式，類似于應(yīng)答機(jī)制。控制層給出一個輸出，使得傳感器信號產(chǎn)生變化并反饋，過一段時間后，控制對象運動完成，傳感器信號恢復(fù)初態(tài)，此時控制層可以撤消原輸出并給出相關(guān)處理。設(shè)計者會有意無意的把注意力放在“什么時候撤消輸出”，因此設(shè)計出如圖4（a）所示的有潛在問題的狀態(tài)機(jī)。
圖4 出現(xiàn)跳步的狀態(tài)圖
可是控制對象在收到控制層輸出的驅(qū)動產(chǎn)生運動，傳感器感知運動并給出信號變化是需要時間的。根據(jù)圖4（a）的狀態(tài)機(jī)，很可能跳過傳感器信號變化的狀態(tài)，而直接到達(dá)“撤消輸出”的狀態(tài)。結(jié)果導(dǎo)致控制層的輸出僅僅是一瞬而過甚至是無法輸出，這就是跳步。為解決跳步問題，就需要設(shè)計者仔細(xì)分析所有的“輸入-輸出對”，把狀態(tài)細(xì)分。如圖4（b）所示，增加一個等待對象運動的新狀態(tài)，確保上一狀態(tài)的輸出驅(qū)使對象真正運動以后才判斷對象運動停止。然而在細(xì)分狀態(tài)的同時也要注意防止失步。狀態(tài)分得越細(xì)，越要注意分析此狀態(tài)中所有可能出現(xiàn)的信號變化。