摘要：采用有限狀態機的方法設計了一種自動門控制系統軟件，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控制及檢測要求，給出了有限狀態機的基本原理，建立了基于有限狀態機的程序設計模型，給出軟件設計的部分關鍵代碼。單步調試及裝車實測證明：有限狀態機模型有助于規范化解決控制系統軟件設計問題。
關鍵詞：有限狀態機；信號檢測；自動門控制
0引言
在某自動門控系統中，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，執行開門、關門、鎖門及開關門二級緩沖動作。劃分門控系統運行狀態，確定不同輸入條件下門控系統狀態轉移過程，是設計自動門控系統軟件的關鍵。本文根據自動門控系統配置傳感器的信號特征，合理劃分門控系統運行狀態，采用有限狀態機原理，設計了門控系統控制和監測軟件，極大地提高了軟件設計可靠性。
1輸入信號特征
自動門控系統輸入信號包括：鎖門狀態信號、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。自動門控系統原理框圖如圖1所示。
自動門控系統輸入信號特征如下：
(1） 鎖門狀態信號，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，系統需要實時、快速、穩定地檢測到輸入信號，因此要充分利用輸入信號特征，系統狀態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；
（2） 按鈕設備采用防抖處理；
?。?） 針對不同門狀態，屏蔽無關輸入信號；
?。?） 同時監測各個門狀態下的設備信號。
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下分別獲取的，每一個狀態不僅與輸入信號相關，也與前一狀態相關［3］。
2.2劃分門狀態
在自動門工作過程中，通過接收輸入信號，根據當前門狀態進行開門動作、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，同時為了提高自動門的可靠性，在一個門狀態下，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，定義了6個門狀態：
（1） 開門狀態，表征自動門在完全開門后的停止狀態；
（2） 正在開門狀態，表征自動門從完全關門位向開門位移動的狀態；
（3） 關門狀態，表征自動門在完全關門后的停止狀態；
?。?） 正在關門狀態，表征自動門從完全開門位向關門位移動的狀態；
（5） 鎖門狀態，表征自動門機械鎖死，衛生間有人占用的狀態；
?。?） 故障狀態，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。
2.3關于有限狀態機
通過對信號處理的分析，采用有限狀態機的方式建模將使信號處理更加方便可靠。有限狀態機（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。有限狀態機包括：一組有限的狀態集，是描述系統中不同狀態的集合；一個起始狀態，指示系統開始時的狀態；一組輸入符號集，是系統接收的不同輸入信息的集合；一個狀態轉移函數，將輸入符號和當前狀態映射到下一狀態［4］。
當輸入符號串時，有限狀態機隨即進入起始狀態，在任意特定時刻，只能處于其中一種狀態。狀態的轉換依賴于當前狀態、輸入符號（觸發條件）和轉換函數，轉換時間理論上為0［5］。
根據已定義的門狀態，各狀態機對應的輸入符號集及狀態轉換函數如下：
?。?）S1,開門（STATE_OPENED）：門外開門按鈕觸發時保持，門內開關門按鈕觸發或延時40 s后轉入正在關門狀態。在正在開門狀態下，當開門接近開關由高電平轉為低電平時轉入。
?。?）S2,關門（STATE_CLOSED）：無外部觸發時保持，門內開關門按鈕、門外開門按鈕觸發時轉入正在開門狀態。在正在關門狀態下，當微動開關由低電平轉為高電平時轉入；在鎖門狀態下，當光電開關由低電平轉為高電平時轉入。
?。?）S3,正在開門（STATE_OPENING）：在此狀態下，門按鈕觸發時保持，當開門接近開關由高電平轉為低電平時轉入開門狀態。在關門狀態下，當門按鈕觸發時轉入；在正在關門狀態下，當異物或人阻擋門關閉時轉入。
（4）S4,正在關門（STATE_CLOSING）：在此狀態下，門按鈕觸發時保持，當異物或人阻擋門關閉時轉入正在開門狀態。在開門狀態下，門內開關門按鈕觸發時轉入；在故障狀態下，門內開關門按鈕觸發時轉入。
?。?）S5,鎖門（STATE_LOCKED）：在此狀態下，門按鈕觸發時保持，當光電開關由低電平轉為高電平轉入關門狀態。在關門狀態下，光電開關由高電平轉為低電平時轉入。
?。?）S6,故障（STATE_FAULT）：在此狀態下，門外開門按鈕觸發時保持，當門內開關門按鈕觸發時轉入正在關門狀態。在連續關門失敗兩次之后，門打開并轉入。基于有限狀態機的門控制過程如圖2。
3設計實現
在自動門控制系統中，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信息并使系統當前狀態跳轉到另一狀態，使用switch…case語句在每次循環中檢測系統狀態，并執行相應動作［6］。軟件程序使用C語言實現，包括程序定義狀態機、信號實時檢測、狀態執行任務等［7］。
3.1狀態機
狀態機的定義為：
typedef enumSTATE
{
STATE_OPENED,//S1:開門狀態
STATE_CLOSED,//S2:關門狀態
STATE_OPENING,//S3:正在開門狀態
STATE_CLOSING,//S4:正在關門狀態
STATE_LOCKED,//S5:鎖門狀態
STATE_FAULT//S6:故障狀態
} 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，關門接近開關、鎖門光電開關配置為下升沿觸發，開門接近開關上升下降沿觸發。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：
（1）微動開關信號上升沿進入中斷，系統狀態設置為關門狀態；
?。?）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，系統狀態設置為開門狀態；
（4）鎖門光電開關信號下降沿進入中斷，系統狀態設置為鎖門狀態，上升沿進入中斷，系統狀態設置為關門狀態；
?。?）門按鈕信號上升沿進入中斷，控制自動門開門或關門，同時設置系統狀態為正在開門狀態或正在關門狀態。
3.3狀態執行任務
在進行狀態循環檢測之前，需要對系統上電之后的門狀態進行一次判斷，使門關閉。狀態循環檢測由while循環實現，采用switch語句在每個分支case對應的狀態執行相應的動作。
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，并在執行完控制量設置之后能夠跳出中斷服務函數，回到主循環。其次進行有限狀態機功能測試，對于在不同狀態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，能否在當前狀態下產生相對應的控制量，能否實時監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。
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
采用有限狀態機實現自動門狀態控制與檢測的方法，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。
參考文獻
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