基于LPC2134和UCOSII的自动售货机状态机模型

由于售货机的功能不断增多，售货机控制系统也相应得不断变得庞大，这就使原来的面向过程的开发方法变得越来难以扩展和维护，根据自动状态机的理论，提出一种在售货机上的状态机模型，该模型对系统状态进行抽象和分离，建立了系统状态表和状态转换表，是一种网状的状态机模型。根据系统事件和当前状态来查找系统状态转换表，如果有匹配项，则进行状态转换。经过实验表明，该模型能解决系统的代码庞大问题，并且使系统开发变得易于维护。

1 概述

自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70 年代自日本和欧美发展起来。现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过GPRS 将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保 了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10-15%的电力。进入21 世纪 时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。这就导致了售货机的控制系统（VenclingMachine Controller,VMC）的复杂度大大增加。先前的基于汇编程序的VMC控制系统虽然效率高，但是存在着可扩展性差，程序结构性差，不易维护等缺点。因此本文提出了一种基于ARM7的新型VMC主板的有限状态机的结构，对VMC 进行改进。本文所用的硬件环境为使能LPC2134 的ARM7 主板，有一个RS232 串口接GPRS 模块，一个MDB 总线模块，一个电机驱动模块，外接一个显示和按键模块。

软件方面采用的操作系统是ucosII操作系统，这是一种开源的实时多任务操作系统，在数据同步和互斥上提供了信号量，消息队列，消息邮箱等功能，本文主要采用的是信号量和消息队列。

总的来说，有限状态机系统，是指在不同阶段会呈现出不同的运行状态的系统，这些状态是有限的、不重叠的。这样的系统在某一时刻一定会处于其所有状态中的一个状态，此时它接收一部分允许的输入，产生一部分可能的响应，并且迁移到一部分可能的状态。 一个有限状态机（FSM）是一个五元组，M=（S,G,E,A,T）。

State（状态），就是一个系统在其生命周期中某一时刻的运行情况，此时，系统会执行一些动作，或者等待一些外部输入。

Guard（条件），状态机对外部消息进行响应的时候，除了需要判断当前的状态，还要判断跟这个状态相关的一些条件是否成立。这种判断称为guard（"条件"）。guard 通过允许或者禁止某些操作来影响状态机的行为。

Event（事件），就是在一定的时间和空间上发生的对系统有意义的事情。

Action（动作）， 当一个Event 被状态机系统分发的时候，状态机用Action（"动作"）来进行响应，比如修改一下变量的值、进行输入输出、产生另外一个Event或者迁移到另外一个状态等等。

Transition（迁移）， 从一个状态切换到另一个状态被称为Transition（"迁移"）。引起状态迁移的事件被称为triggering event （"触发事件"），或者被简称为trigger（触发）。

有限状态机一般有2 种表示方式：状态转移表和状态转移图。通常用有向图来表示有限状态机，其节点代表状态。如图1 所示，售货机售货流程一共分5 个状态，每个状态都是根据消息的不同来进行转换。

图1 自动售货机中的状态转换图：

2 实现方式

2.1 嵌套Switch方式

即先定义一个状态和消息的枚举，再通过嵌套的2层switch-case结构实现，外层switch-case结构判断状态，虽然这种方法结构简单，便于理解，但是代码冗长，不便维护，因此不建议在复杂杂的状态机下运行。

2.2 状态表方式

这种实现方法对第一种方法进行了改良，根据State,Event 做成二维表格，表格中的项表示Action和Transmission,状态采用枚举量。这种方法结构简单，便于理解，代码比较简练，效率最高，但是代码结构不是太好。

2.3 用函数指针作为状态

这种方法用函数地址代替state 值，比较直观，可以方便地增加entry/exit 操作，并且效率较高。

3 具体实现

综合以上几种方式，本文提出一种结合第二种和第三种方式的状态机实现方式，即创立一个状态表和一个状态转换表，其中状态表中有exit,entry,default处理方法，当进入该状态时，先执行entry方法，然后在状态运行时执行default方法，退出状态时执行exit方法，状态之间的切换是通过状态转换表实现的，即首先状态等待一个系统消息，如果在状态转换表中对应当前状态和当前消息的项，则进行消息转换，具体实现如下3.1 数据结构。

首先定义一个大小为10 的系统消息队列用来接收外设和系统消息：

3.2 状态转换算法

先建立一个状态转换表， 建立一个FSM_STATE_TRAN 指针数组。即FSM_STATE_TRAN*fsm_tran[7];将每个状态下的转换项都存在该状态下的链表中。

在有限状态机中，状态是通过系统消息和当前状态来查找状态转换表，如果有对应的项则进行转换，没有则继续当前状态：算法如下：

4 模型分析

4.1 扩展性

为状态机添加新状态，只需在状态表中添加新状态及其处理方法，以及在状态转换表中添加该状态的转换方式。

4.2 查找算法分析

设总共有n个状态，m个事件，每个状态平均响应的事件为k.

由于在这里每个状态都是互斥的，因此状态转换时的时间开销主要是花费在查找状态表上面，这里采用了基数排序查找的思想。因此主要查找开销是每个状态的状态转换个数。由于在售货机中，每个状态大概都只有3-4 个状态转换表。因此查找的时间复杂度比O（m）小。

5 结语

通过建立有限状态机模型，并应用改进的数据结构与状态转换算法，自动售货机控制器的程序结构更为清晰。原来存在于程序中的诸多标志变量，由状态机的各个状态所取代，使系统具有更好的扩展性；并且模型很好地利用了状态的相关性，缩短了查找所花费的时间。应用于别的嵌入式系统也有较高的意义。