摘要：采用有限狀態(tài)機的方法設計了一種自動門控制系統(tǒng)軟件,，可實現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)機的程序設計模型,，給出軟件設計的部分關鍵代碼。單步調試及裝車實測證明：有限狀態(tài)機模型有助于規(guī)范化解決控制系統(tǒng)軟件設計問題,。

　　關鍵詞：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,，根據門控裝置配置的光電傳感器,、接近開關、微動開關和控制按鈕的狀態(tài),，執(zhí)行開門,、關門、鎖門及開關門二級緩沖動作,。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)轉移過程，是設計自動門控系統(tǒng)軟件的關鍵。本文根據自動門控系統(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，設計了門控系統(tǒng)控制和監(jiān)測軟件,，極大地提高了軟件設計可靠性,。

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、關門位置信號,、關門檢測信號,、開門檢測與位置信號、開門關門控制信號,，分別以紅外傳感器、微動開關,、接近傳感器和門按鈕實現物理動作與電信號轉換,，嵌入式微控制器根據輸入信號的變化，按設計的控制邏輯,，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） 關門位置信號，電平電壓24 V,、24 V有效,，當自動門門板上的金屬擋板觸碰微動開關使其閉合時，信號持續(xù)保持高電平,；

　　(3） 關門檢測信號,，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，信號恢復高電平；

　　(5） 開關門控制信號,，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，根據當前門狀態(tài)控制直流電機的正轉或者反轉,。

2輸入信號檢測方法

　　2.1檢測方式

　　在嵌入式系統(tǒng)設計中,，檢測一個數字量，只需要檢測數字量端口的高低電平,。為了提高檢測到的數字量的可靠性,，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：

　?。?） 輸入信號中斷處理，沿觸發(fā),；

　?。?） 按鈕設備采用防抖處理；

　?。?） 針對不同門狀態(tài),，屏蔽無關輸入信號；

　?。?） 同時監(jiān)測各個門狀態(tài)下的設備信號,。

　　通過上述幾種對輸入信號處理的方法，能夠實時獲取輸入信號,，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,，也與前一狀態(tài)相關［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,，根據當前門狀態(tài)進行開門動作、關門動作,、鎖門指示以及開關門二級緩沖等動作,。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設備信號的變化,。

　　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門位向開門位移動的狀態(tài)；

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

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

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

　　2.3關于有限狀態(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）常見于數字時序電路設計,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)轉移函數，將輸入符號和當前狀態(tài)映射到下一狀態(tài)［4］,。

　　當輸入符號串時,，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)的轉換依賴于當前狀態(tài),、輸入符號（觸發(fā)條件）和轉換函數，轉換時間理論上為0［5］,。

　　根據已定義的門狀態(tài),，各狀態(tài)機對應的輸入符號集及狀態(tài)轉換函數如下：

　　（1）S1,開門（STATE_OPENED）：門外開門按鈕觸發(fā)時保持,，門內開關門按鈕觸發(fā)或延時40 s后轉入正在關門狀態(tài),。在正在開門狀態(tài)下，當開門接近開關由高電平轉為低電平時轉入,。

　?。?）S2,關門（STATE_CLOSED）：無外部觸發(fā)時保持，門內開關門按鈕,、門外開門按鈕觸發(fā)時轉入正在開門狀態(tài),。在正在關門狀態(tài)下，當微動開關由低電平轉為高電平時轉入,；在鎖門狀態(tài)下,，當光電開關由低電平轉為高電平時轉入。

　?。?）S3,正在開門（STATE_OPENING）：在此狀態(tài)下,，門按鈕觸發(fā)時保持，當開門接近開關由高電平轉為低電平時轉入開門狀態(tài),。在關門狀態(tài)下,，當門按鈕觸發(fā)時轉入；在正在關門狀態(tài)下,，當異物或人阻擋門關閉時轉入,。

　　（4）S4,正在關門（STATE_CLOSING）：在此狀態(tài)下,，門按鈕觸發(fā)時保持,，當異物或人阻擋門關閉時轉入正在開門狀態(tài)。在開門狀態(tài)下,，門內開關門按鈕觸發(fā)時轉入,；在故障狀態(tài)下，門內開關門按鈕觸發(fā)時轉入,。

　?。?）S5,鎖門（STATE_LOCKED）：在此狀態(tài)下，門按鈕觸發(fā)時保持,，當光電開關由低電平轉為高電平轉入關門狀態(tài),。在關門狀態(tài)下,，光電開關由高電平轉為低電平時轉入。

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

3設計實現

　　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,，實時獲取相應傳感器狀態(tài)信息并使系統(tǒng)當前狀態(tài)跳轉到另一狀態(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)行相應動作［6］,。軟件程序使用C語言實現,，包括程序定義狀態(tài)機、信號實時檢測,、狀態(tài)執(zhí)行任務等［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:關門狀態(tài)

　　STATE_OPENING,//S3:正在開門狀態(tài)

　　STATE_CLOSING,//S4:正在關門狀態(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門微動開關，一個關門接近開關,，一個開門接近開關,，一個鎖門光電開關，另有兩個門按鈕——開門按鈕與開關門按鈕,，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計不同,，微動開關采用24 V供電,，高電平有效，兩個接近開關和一個光電開關采用24 V供電,，低電平有效,。在程序內部，初始化四個信號端口對應的I/O口,，初始化中斷,，其中微動開關、兩個門按鈕配置為上升沿觸發(fā),，關門接近開關,、鎖門光電開關配置為下升沿觸發(fā)，開門接近開關上升下降沿觸發(fā),。信號檢測代碼位于中斷服務函數中［8］,。

　　相關的中斷控制包括：

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

　?。?）關門接近開關信號下降沿進入中斷，給出自動門關門減速控制信號,；

　?。?）開門接近開關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)設置為開門狀態(tài)；

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

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

　　3.3狀態(tài)執(zhí)行任務

　　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,，使門關閉。狀態(tài)循環(huán)檢測由while循環(huán)實現,，采用switch語句在每個分支case對應的狀態(tài)執(zhí)行相應的動作,。

　　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的測試,，通過軟件模擬給出外部設備信號，分步調試觀察外部設備信號的變化,，能夠使程序跳入中斷服務函數內,，并在執(zhí)行完控制量設置之后能夠跳出中斷服務函數，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備信號，確認是否能將其他無關信號屏蔽,，能否在當前狀態(tài)下產生相對應的控制量,，能否實時監(jiān)測相關信號是否正常，能否接收有效的外部設備信號并跳轉到下一狀態(tài),。

　　采用在線仿真測試,，測試內容與軟件仿真相似,，不同之處是將JLINK在線調試器連接到控制板，外部設備信號由真實的外部設備給出,，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結論

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

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