基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)公交車智能IC卡收費(fèi)機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有限狀態(tài)機(jī)是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)以及觸發(fā)條件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一種機(jī)制，包含一組狀態(tài)集（state）、一個(gè)起始狀態(tài)（start state）、一組輸入符號(hào)集（alphabet）、一個(gè)映射輸入符號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（transition function）的計(jì)算模型。當(dāng)輸入符號(hào)串時(shí)，模型隨即進(jìn)入起始狀態(tài)。要讓狀態(tài)機(jī)改變到新的狀態(tài)，依賴于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)。有限狀態(tài)機(jī)中有許多變量，例如，與動(dòng)作（actions）轉(zhuǎn)換（Mealy機(jī)）或狀態(tài)（摩爾機(jī)）關(guān)聯(lián)的動(dòng)作，多重起始狀態(tài)，基于沒(méi)有輸入符號(hào)的轉(zhuǎn)換或指定符號(hào)和狀態(tài)（非定有限狀態(tài)機(jī)）的多個(gè)轉(zhuǎn)換、指派給接收狀態(tài)（識(shí)別者）的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)。有限狀態(tài)機(jī)多應(yīng)用于硬件時(shí)序電路設(shè)計(jì)。

有限狀態(tài)機(jī)也可以應(yīng)用到嵌入式軟件設(shè)計(jì)中。在進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常的做法是按照信息流程進(jìn)行順序編程。例如對(duì)串行數(shù)據(jù)的處理，一般是等待接收數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送處理結(jié)果。使用這種軟件設(shè)計(jì)方法，最突出的一點(diǎn)就是在任務(wù)的處理過(guò)程中，任務(wù)基本上獨(dú)占了MCU的資源，即在處理串口數(shù)據(jù)的過(guò)程中，不會(huì)再去處理其他消息（中斷除外）。采用這種方式，MCU會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)只處理一個(gè)任務(wù)。如果合理運(yùn)用狀態(tài)機(jī)機(jī)制開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，就可以讓MCU進(jìn)行多任務(wù)的分時(shí)處理。

1 建立有限狀態(tài)機(jī)的模型

其實(shí)在平時(shí)的程序設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)不知不覺(jué)地使用了狀態(tài)機(jī)，如按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換、菜單顯示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等。但是，很少有系統(tǒng)會(huì)使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行多任務(wù)處理。在單片機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各功能模塊的分析，可以建立有限狀態(tài)機(jī)的模型，繼而在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中利用狀態(tài)機(jī)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)清晰的高效率嵌入式軟件。

1.1 系統(tǒng)功能分析

具有GPS、GPRS功能的公交車智能IC卡收費(fèi)機(jī)，其功能包括對(duì)乘客使用的非接觸式IC卡進(jìn)行刷卡消費(fèi)，使用GPS進(jìn)行自動(dòng)報(bào)站［2］，以及使用GPRS進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度［3］等。按照獨(dú)占式處理模式，智能收費(fèi)機(jī)的軟件系統(tǒng)會(huì)把多個(gè)任務(wù)按照信息流程進(jìn)行排隊(duì)，處理完一個(gè)任務(wù)后，再進(jìn)行下一個(gè)任務(wù)的處理。使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行軟件編程，可以把每一個(gè)任務(wù)分解為多個(gè)狀態(tài)，在某個(gè)狀態(tài)處理時(shí)，同時(shí)檢查其他任務(wù)是否需要進(jìn)行信息處理，并進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這樣就可以讓MCU在等待的空閑時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)消息的處理。

1.2 IC卡功能的狀態(tài)機(jī)建模

目前公交車乘客使用的公交卡，一般都是非接觸式IC卡，需要使用一個(gè)接口芯片對(duì)卡片進(jìn)行讀寫(xiě)操作。因此要對(duì)IC卡進(jìn)行操作，就需要先對(duì)接口芯片進(jìn)行初始化，包括對(duì)相關(guān)I/O引腳的設(shè)置、訪問(wèn)地址的設(shè)定等操作。當(dāng)非接觸式IC卡進(jìn)入無(wú)線操作范圍后，需要使用Request命令喚醒卡片，再對(duì)喚醒的卡片（一張或多張）進(jìn)行防沖突處理，得到卡片的唯一標(biāo)識(shí)碼，然后通過(guò)Select命令選擇要進(jìn)行操作的卡片。非接觸式IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)是用密碼進(jìn)行保護(hù)的，而且每個(gè)區(qū)的密碼都不一樣。因此在對(duì)某個(gè)區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)前，還需要進(jìn)行密碼的驗(yàn)證。只有密碼正確了，才可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作。如果卡片的防沖突處理、選擇卡片操作扇區(qū)、授權(quán)驗(yàn)證這幾個(gè)步驟出錯(cuò)，則需要使用Request命令對(duì)卡片重新喚醒，然后再進(jìn)行其他操作。在完成對(duì)卡片某一區(qū)域的讀寫(xiě)后，可以直接對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行操作（需要重新驗(yàn)證密碼），或者使用Request命令對(duì)其他卡片進(jìn)行操作。

對(duì)IC卡的操作可以分為以下幾個(gè)部分：接口芯片的初始化、查詢卡片、防沖突處理、選擇卡片、對(duì)操作扇區(qū)授權(quán)驗(yàn)證、讀卡、寫(xiě)卡。根據(jù)對(duì)IC卡的操作，可以建立IC卡操作的相應(yīng)狀態(tài)作為狀態(tài)機(jī)。建立狀態(tài)機(jī)的模型如圖1所示。類似地，對(duì)于GPRS、GPS等功能模塊，也可以進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)機(jī)建模。

圖1 非接觸IC卡操作的狀態(tài)機(jī)

2 利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)

利用前面所建立的狀態(tài)機(jī)模型，可以方便地進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。軟件的主要工作是進(jìn)行正確的狀態(tài)切換和在每個(gè)狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。對(duì)單個(gè)狀態(tài)機(jī)處理的程序設(shè)計(jì)，可以使用“橫式”或“豎式”兩種設(shè)計(jì)方法?！皺M式”設(shè)計(jì)是把每個(gè)狀態(tài)的功能作為一個(gè)子函數(shù)處理，在子函數(shù)外部進(jìn)行狀態(tài)的切換。“豎式”設(shè)計(jì)是在單個(gè)switch語(yǔ)句中對(duì)所有的狀態(tài)進(jìn)行判斷，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作并進(jìn)行狀態(tài)切換。

下面以非接觸式IC卡操作為例，對(duì)兩種軟件設(shè)計(jì)方式進(jìn)行討論。假設(shè)變量如下：當(dāng)前狀態(tài)為cur_state，下一狀態(tài)為next_state；狀態(tài)分別為RC500Config、RC500Request、RC500Anticoll、RC500Select、RC500Auth、 RC500LoadMk、RC500Read、RC500Write。［5］“豎式”程序設(shè)計(jì)如下：

switch（cur_state）{//在當(dāng)前狀態(tài)中判斷事件

case RC500Config://進(jìn)行RC500Config初始化狀態(tài)

執(zhí)行初始化動(dòng)作

if（SUCCESS）{

next_state = RC500Request;//成功則進(jìn)行卡片查詢

}

else{

斷電重新初始化

}

break;

case RC500Request://在RC500Request狀態(tài)

對(duì)射頻范圍內(nèi)的卡片進(jìn)行查詢

if（SUCCESS）{ //將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到RC500Anticoll態(tài)

next_state = RC500Anticoll;

}

else{

繼續(xù)查詢

}

break;

case RC500Anticoll://在RC500Anticoll狀態(tài)

進(jìn)行抗沖突處理

if（SUCCESS）{

獲取卡片識(shí)別碼，轉(zhuǎn)到選擇卡片狀態(tài)

next_state = RC500Select;

}

case …

}

“橫式”設(shè)計(jì)是把每個(gè)狀態(tài)及所要執(zhí)行的動(dòng)作單獨(dú)放到一個(gè)子函數(shù)中處理，有RC500Config（）、RC500Request（）、 RC500Anticoll（）等。工作狀態(tài)的確定可以通過(guò)查詢狀態(tài)表獲得，找到相應(yīng)的狀態(tài)后運(yùn)行相應(yīng)的子函數(shù)。在每個(gè)子函數(shù)中，既有該狀態(tài)下應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作，也有狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。然后在主程序中判斷狀態(tài)是否發(fā)生了轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的狀態(tài)子程序中執(zhí)行。

橫豎兩種寫(xiě)法，實(shí)現(xiàn)的功能完全相同，但是“豎式”隱含了優(yōu)先級(jí)排序，破壞了事件間原有的關(guān)系。同時(shí)，由于處在每個(gè)狀態(tài)的事件數(shù)目不一致，而且事件發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，“豎式”設(shè)計(jì)為順序查詢方式，因此大量時(shí)間被浪費(fèi)?！皺M式”設(shè)計(jì)，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)狀態(tài)是唯一確定的，延遲時(shí)間可以預(yù)先準(zhǔn)確估算。而且在事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用相應(yīng)的事件函數(shù)，在函數(shù)里查找唯一確定的狀態(tài)，并根據(jù)其狀態(tài)執(zhí)行動(dòng)作和狀態(tài)轉(zhuǎn)移。使用這種方式設(shè)計(jì)的軟件思路清晰簡(jiǎn)潔，效率高，故使用“橫式”方法設(shè)計(jì)程序更好。

類似地，對(duì)于GPRS、GPS等功能模塊也可以運(yùn)用狀態(tài)機(jī)機(jī)制進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而在整個(gè)智能收費(fèi)機(jī)的軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)所有任務(wù)的處理都可以運(yùn)用狀態(tài)機(jī)機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。

3 使用狀態(tài)機(jī)的效能分析

在很多嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中都可以用到類似狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想，比較常用的地方就是各種液晶界面的設(shè)計(jì)。使用狀態(tài)機(jī)機(jī)制設(shè)計(jì)軟件，可以使設(shè)計(jì)思路清晰、靈活，軟件的可讀性強(qiáng)，便于以后的維護(hù)。如果合理地使用狀態(tài)機(jī)，還可以較大幅度地提高M(jìn)CU的運(yùn)行效率。下面以非接觸式IC卡的軟件設(shè)計(jì)流程為例討論。

圖2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法比較

圖2（a）是傳統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)流程，使用這種流程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件按部就班地先執(zhí)行RC500Config（），再執(zhí)行 RC500Request（），然后是RC500Anticoll（），直到對(duì)IC卡操作完成，再轉(zhuǎn)到其他任務(wù)（如GPS）。這樣IC卡的操作任務(wù)占用了整個(gè)MCU資源。圖2（b）是使用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的流程。在使用狀態(tài)機(jī)的同時(shí)設(shè)定一個(gè)軟件時(shí)鐘，用來(lái)為系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)進(jìn)行計(jì)時(shí)，并進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。軟件時(shí)鐘使用一個(gè)長(zhǎng)整型變量進(jìn)行計(jì)時(shí)，利用MCU定時(shí)器1 ms或10 ms的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使時(shí)鐘不受任務(wù)執(zhí)行過(guò)程的影響。當(dāng)某個(gè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程需要等待延時(shí)，執(zhí)行子函數(shù)返回main（）函數(shù)，讓其他任務(wù)使用MCU資源。這樣實(shí)現(xiàn)的軟件，在處理某個(gè)任務(wù)的空隙可以同時(shí)處理其他任務(wù)的操作，有效地提高了MCU處理事件的能力。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

RC500Request（）{

time_mark = mS_mark;//若需要延時(shí)，更新計(jì)時(shí)的軟件時(shí)間

……

if（！past_200mS（））break;//如果延時(shí)不足200 ms，//返回調(diào)用函數(shù)，MCU運(yùn)行其他任務(wù)

……

}

當(dāng)延時(shí)不夠200 ms時(shí)，函數(shù)RC500Request（）直接返回而沒(méi)有改變IC卡操作的狀態(tài)，因此MCU下一次進(jìn)行IC卡操作時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行函數(shù) RC500Request（），直到IC卡操作狀態(tài)改變。同時(shí)，函數(shù)RC500Request（）返回后，main（）函數(shù)會(huì)檢查GPS、GPRS等工作模塊，執(zhí)行其中的某些動(dòng)作。也就是說(shuō)，在執(zhí)行IC卡操作的同時(shí)，可以執(zhí)行其他任務(wù)的操作；同理，在執(zhí)行其他任務(wù)的操作時(shí)，也可以執(zhí)行IC卡的一些操作。這樣就可以充分利用MCU的資源，提高M(jìn)CU對(duì)多任務(wù)的處理效率。

結(jié)語(yǔ)

使用上述狀態(tài)機(jī)機(jī)制設(shè)計(jì)的智能公交車IC卡收費(fèi)機(jī)的系統(tǒng)軟件，能夠及時(shí)處理IC卡信息、GPS定位信息、GPRS通信等多個(gè)任務(wù)的操作，運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。該機(jī)制非常適合功能較多的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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