51單片機實現(xiàn)狀態(tài)機資料

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,電子工業(yè)出版社所有,*,單片機技術(shù)基礎(chǔ)教程與實踐,第9章 51單片機實現(xiàn)狀態(tài)機,9.1 有限狀態(tài)機,有限狀態(tài)機FSM與流程圖很相像，具有一組依據(jù)肯定路徑排列的狀態(tài)，依據(jù)于狀態(tài)中的大事和動作，一個狀態(tài)可以轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)。,狀態(tài)是時間中的一個點，例如，當你等火車的時候，你在等待狀態(tài)。一種狀態(tài)在一個狀態(tài)機中，只能消失一次。,大事是某時發(fā)生的事情，例如火車到達，火車運行。,動作是當大事消失時，實現(xiàn)的任務(wù)，例如，火車到達后，上車,轉(zhuǎn)移是兩個狀態(tài)之間的聯(lián)系，可以從一個狀態(tài)移動到另外一個狀態(tài)。,狀態(tài)圖就是對一個事物在某個

2、大事發(fā)生后從一個源狀態(tài)到另外一個目的狀態(tài)轉(zhuǎn)移的圖形描述。,狀態(tài)圖中，使用圓圈表示狀態(tài)，圓圈中的文字或數(shù)字表示該狀態(tài)的名字或是編碼，狀態(tài)轉(zhuǎn)移方向用箭頭表示，在箭頭旁寫的文字是轉(zhuǎn)移條件。對于梅里狀態(tài)圖，在箭頭旁用“輸入/輸出”的格式表示轉(zhuǎn)移條件與滿足該轉(zhuǎn)移條件下的輸出；而對于摩爾狀態(tài)機，常將輸出放在狀態(tài)圓圈中。,由圖可知，當k=0時，狀態(tài)從a0轉(zhuǎn)移到a1，假設(shè)是k0=1，從狀態(tài)a1轉(zhuǎn)移到a2，等等，假設(shè)是reset=0，則無論在什么狀態(tài)，都將轉(zhuǎn)移到a0狀態(tài)。,一個狀態(tài)機描述需要五個要素：狀態(tài)、輸入、輸出、狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)、輸出函數(shù)。,假設(shè)在一個狀態(tài)中包含著另一個狀態(tài)序列，則稱該狀態(tài)為復(fù)合狀態(tài)。,狀態(tài)機

3、就是能夠依據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件進展狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出狀態(tài)活動的自動機。狀態(tài)機可以使用數(shù)字電路實現(xiàn)，或是單片機通過軟件編程實現(xiàn)。,假設(shè)狀態(tài)數(shù)量有限、輸入數(shù)量有限、輸出數(shù)量有限，則稱為有限狀態(tài)機FSM。,在數(shù)字電路中，有兩類根本的電路，它們是組合電路和時序電路，它們之間的區(qū)分是組合電路的構(gòu)造中沒有反響、輸入值直接打算輸出值，而時序電路的構(gòu)造中具有反響，其輸出由狀態(tài)和輸入打算。狀態(tài)機是時序電路的一種。,9.1.1 時鐘同步有限狀態(tài)機,假設(shè)一個時序電路中的觸發(fā)器都使用同一個時鐘信號，則稱為同步狀態(tài)機,1.構(gòu)造,時鐘同步狀態(tài)機的構(gòu)造如下圖。,其中次態(tài)規(guī)律由現(xiàn)態(tài)和輸入形成。狀態(tài)記憶是n個觸發(fā)器，用于記憶2n狀態(tài)。輸

4、出規(guī)律由現(xiàn)在狀態(tài)和輸入形成。,在時鐘的上升沿或是下降沿取決于觸發(fā)器構(gòu)造，觸發(fā)器在次態(tài)規(guī)律的掌握下動作。,2.輸出規(guī)律,假設(shè)一個時序電路的輸出與現(xiàn)在狀態(tài)和輸入都有關(guān)，則稱為梅里狀態(tài)機，就是說，在某狀態(tài)下，滿足某輸入條件的輸出就是梅里輸出。值得留意的是梅里狀態(tài)機的輸入變化直接引起輸出的變化，而不是等到下一個狀態(tài)到來時輸出才變化。就是梅里狀態(tài)機。,與輸入無關(guān)，輸出只與狀態(tài)有關(guān)的狀態(tài)機，稱為摩爾狀態(tài)機，所以摩爾狀態(tài)機的輸出與狀態(tài)變化同步。摩爾狀態(tài)機是使用廣泛的狀態(tài)機，如下圖。,3.狀態(tài)編碼,具有n個狀態(tài)變量的狀態(tài)機具有2n個狀態(tài)。究竟一個狀態(tài)用什么樣的二進制數(shù)表示，就是狀態(tài)編碼問題。狀態(tài)與它的編碼之間

5、不是唯一關(guān)系。最簡潔的狀態(tài)編碼就是承受自然二進制整數(shù)挨次來表示狀態(tài)，這樣的編碼雖然簡潔，但是最終的電路未必是最簡潔的。假設(shè)要得到最簡潔的結(jié)果，最好把各種編碼都試一試，但是太累人，一般狀況下承受閱歷編碼方法。,在狀態(tài)編碼時應(yīng)當考慮的一些因素：,1選擇初始狀態(tài)的編碼與狀態(tài)機的復(fù)位狀態(tài)一樣，這樣就會使狀態(tài)機復(fù)位時就回到狀態(tài)機的初始狀態(tài)。,2每一次狀態(tài)變化，應(yīng)當使發(fā)生的狀態(tài)變量最少。,3假設(shè)有未使用的狀態(tài)，則盡量選擇可以到達簡化規(guī)律設(shè)計的狀態(tài)編碼。設(shè)計中應(yīng)當保證從未使用狀態(tài)肯定可以進入初始狀態(tài)。,4.主從狀態(tài)機,一個大的狀態(tài)機設(shè)計是特別簡單的，一般狀況下，最好將大的狀態(tài)機分解成小狀態(tài)機的集合。一般劃分

6、的原則是依據(jù)功能劃分，主要輸入、輸出和掌握算法由主狀態(tài)機完成，而幫助的、在主狀態(tài)機掌握下的算法由子狀態(tài)機完成，就是說主狀態(tài)機完成頂層算法，子狀態(tài)機完成底層算法。,最常見的劃分就是將計數(shù)器作為子狀態(tài)機，這時，主狀態(tài)機只要發(fā)出啟動信號，而等待計數(shù)器返回的計數(shù)完成信號。雖然主狀態(tài)機增加了啟動計數(shù)器的輸出信號和來自計數(shù)器的計數(shù)完成信號，但是該計數(shù)器就可以為主狀態(tài)機節(jié)省n1個狀態(tài)。,主從狀態(tài)機的一般構(gòu)造如下圖。,5.狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件,狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件和輸入的信號數(shù)有關(guān)，n個輸入信號，將有2n個轉(zhuǎn)移條件，這些條件之間應(yīng)當是互斥的，只能有一個轉(zhuǎn)移條件有效。也就是只能轉(zhuǎn)移到另外一個狀態(tài)，而不是一個以上的狀態(tài)。,在狀

7、態(tài)機設(shè)計過程中，對于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件是簡潔給出的，但是使多個狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件滿足互斥條件確是比較難的，由于這需要更深刻的考慮狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件之間的關(guān)系。,一個狀態(tài)只向另外一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)機是最簡潔的狀態(tài)機，由于只有一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。,有些狀態(tài)圖只給出本狀態(tài)向外狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件，而向自己轉(zhuǎn)移的條件未給出，這種狀況可以理解為只要不向外狀態(tài)轉(zhuǎn)移就保持在本狀態(tài)不動。,6.狀態(tài)機的輸入信號,狀態(tài)機的輸入信號往往使是按鍵信號，既然是按鍵信號，則按下去的時間長短是隨機的，可能是一個或幾個時鐘脈沖的時間，假設(shè)狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移是在某輸入信號的作用之下連續(xù)轉(zhuǎn)移，例如，在狀態(tài)1，當按鍵第一次為0時，轉(zhuǎn)移到狀態(tài)2，其次次為0

8、時轉(zhuǎn)移到狀態(tài)1，則會由于按鍵始終保持在0，引起狀態(tài)不斷的轉(zhuǎn)換，不能實現(xiàn)每按一次按鍵，轉(zhuǎn)換一次狀態(tài)的目的。,解決的方法是設(shè)計邊沿微分電路，使按鍵按下時，只在下降沿輸出一個時鐘周期的低電平，保證只有一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移。,7.上電狀態(tài)機初始化,在狀態(tài)機上電時，無論為何種輸入條件，都應(yīng)當進入到一個確定的狀態(tài)，該狀態(tài)稱為上電初始狀態(tài)。有些狀態(tài)機可以在上電時，自動進入上電初始狀態(tài)，有些狀態(tài)機則不能，需要復(fù)位信號的幫助才能進入上電初始狀態(tài)。,9.1.2狀態(tài)圖,狀態(tài)圖是用于小型、中型狀態(tài)機設(shè)計的一種方法，該方法的特點是簡潔。,狀態(tài)圖中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移是用一根弧線表示的，所以不管有多少輸入變量，也只能有一個轉(zhuǎn)移條件表達式，

9、應(yīng)當使現(xiàn)在狀態(tài)到全部次態(tài)的轉(zhuǎn)移條件互斥，也就是說只能轉(zhuǎn)移到一個次態(tài)。,另外需要說明的是用于掌握器的狀態(tài)機大局部都是摩爾狀態(tài)機，就是說這些狀態(tài)機的輸出僅僅與狀態(tài)有關(guān)。,例題9-1 設(shè)計一個挨次開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置在按鍵k第一次按下時，三盞燈x、y和z同時點亮，當k 再次按下時，x燈馬上熄滅；y燈15s后熄滅，在y燈熄滅后18s后，z燈熄滅。,轉(zhuǎn)移條件,說明,狀態(tài),說明,輸出,說明,k,輸入按鍵,z0,三燈都滅,t15,15秒定時起動,td15,15秒定時到信號,z1,三燈都亮,t18,18秒定時起動,td18,18秒定時到信號,z2,三燈都亮,x,x燈,z3,x燈滅，其他亮,y,y燈,z4,x、

10、y燈滅，z燈亮,z,z燈,例題9-2 試設(shè)計一個交通信號燈掌握器，該交通燈的紅、黃、綠燈亮滅挨次是如下：,轉(zhuǎn)移條件,說明,狀態(tài),說明,輸出,說明,td10,10秒定時到信號,a0,南北綠、東西紅,t10,10秒定時起動,td5,8秒定時到信號,a1,南北綠閃，東西紅,t8,8秒定時起動,td3,3秒定時到信號,a2,南北黃、東西紅,t3,3秒定時起動,a3,南北紅、東西綠,n1,南北紅燈,a4,南北紅、東西綠閃,n2,南北黃燈,a5,南北紅、東西黃,n3,南北綠燈,d1,東西紅燈,d2,東西黃燈,d3,東西綠燈,9.2.1 C語言描述狀態(tài)機的語句,int state=S0;/初始狀態(tài),whil

11、e(1)/無限循環(huán),switch(state),case S0:,If(T0轉(zhuǎn)移條件滿足)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到滿足T0條件的次態(tài)；操作；,If(T1轉(zhuǎn)移條件滿足)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到滿足T1條件的次態(tài)；操作；,If(TN轉(zhuǎn)移條件滿足)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到滿足TN條件的次態(tài)；操作；,break;,case S1:,/插入S1的操作；,/插入離開S1的轉(zhuǎn)移；,break;,case SN:,/插入SN的操作；,/插入離開SN的轉(zhuǎn)移；,break;,通常將表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移的一系列通常將表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移的多個if語句寫成if-else語句，這樣可以使轉(zhuǎn)移條件形成互斥。,固然也可以直接使用if 語句描寫狀態(tài)機，例如：,if(state=S0

12、),if(T0轉(zhuǎn)移條件滿足),狀態(tài)轉(zhuǎn)移到滿足T0條件的次態(tài)；操作；,else,if(T1轉(zhuǎn)移條件滿足),狀態(tài)轉(zhuǎn)移到滿足T1條件的次態(tài)；操作；,else,if(TN轉(zhuǎn)移條件滿足),狀態(tài)轉(zhuǎn)移到滿足TN條件的次態(tài)；操作；,if(state=S1),/插入離開該狀態(tài)的條件語句,/插入要轉(zhuǎn)移的次態(tài),/插入S1狀態(tài)的操作語句,if(state=SN),/插入離開該狀態(tài)的條件語句,/插入要轉(zhuǎn)移的次態(tài),/插入SN狀態(tài)的操作語句,9.2.2 描述狀態(tài)機的完整C程序格式,#include,數(shù)碼管的譯碼表格,設(shè)置定時器的定時變量,設(shè)置狀態(tài)變量,設(shè)置其他全局變量,主程序：,局部變量初始化,定時器初始化語句,中斷允許語

13、句,主程序無限循環(huán)中：,1輸入信號處理語句,獲得全部的輸入信號狀態(tài),2狀態(tài)機描述語句,主要是描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)移條件、定時變量清零等,該狀態(tài)下的輸出語句,顯示該狀態(tài)的發(fā)光二極管不是必需的，用于調(diào)試,3顯示處理語句,將定時數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示不是必需的，用于調(diào)試,4其他語句,5假設(shè)是在狀態(tài)描述語句中沒有描述輸出，可單獨將各個狀態(tài)下的輸出描述,定時器中斷效勞程序中：,設(shè)置靜態(tài)局部變量,依據(jù)定時器工作模式確定是否設(shè)置初值，假設(shè)是需要準確定時，選擇不需要預(yù)置初值的工作方式2,每中斷一次就增加數(shù)值的語句，獲得確定的中斷時間例如1s。,依據(jù)確定的中斷時間，增加定時變量,9.3 例如程序,在狀態(tài)機描述中，除了直

14、接描述狀態(tài)機的語句外，還需要按鍵鈕輸入語句、定時器描述等語句，本節(jié)通過例如對按鍵、定時等的C描述賜予介紹。,例如程序1 按鍵處理程序。,P3口全部連接按鍵，P0口連接的數(shù)碼管顯示按鍵的值，程序中變量kk是按鍵的值，不同的按鍵按下，數(shù)碼管顯示不同的值。,變量,說明,變量,說明,nn,延遲時間循環(huán)變量,kk,按鍵值,table,共陽數(shù)碼管譯碼表,源程序如下：,#include“AT89X51.h“,unsigned int code table=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;,unsigned int kk=

15、0 x08;,void main,unsigned int nn;,while(1),P3=0 xff;/P3口連接8個按鍵作為輸入,if(P3|0 x00)!=0 xff)/假設(shè)有按鍵按下,for(nn=0;nn1000;nn+);/延時,if(P3|0 x00)!=0 xff)/按鍵還在按下狀態(tài),switch(P3),case 0 xfe:/P3_0=0,fe=1111 1110,kk=0;break;,case 0 xfd:/P3_1=0,fd=1111 1101,kk=1;break;,case 0 xfb:/P3_2=0,fb=1111 1011,kk=2;break;,case 0

16、 xf7:/P3_3=0 f7=1111 0111,kk=3;break;,case 0 xef:/P3_4=0,ef=1110 1111,kk=4;break;,case 0 xdf:/P3_5=0,df=1101 1111,kk=5;break;,case 0 xbf:/P3_6=0,bf=1011 1111,kk=6;break;,case 0 x7f:/P3_7=0 7f=0111 1111,kk=7;break;,default:kk=8;,while(P3!=0 xff);/假設(shè)按鍵還在按下時，則停留在此，等待按鍵抬起,P0=tablekk;/將鍵值送到P0口連接的數(shù)碼管顯示,例如程序2 按鍵掌握秒計數(shù)定時器0工作在方式1。,P3口引腳連接按鍵，按鍵按下后，P0口連接的數(shù)碼管顯示按鍵號，P1口循環(huán)顯示0按鍵號之間的值，P2_0連接的LED燈亮1s，滅1s。如下程序承受定時器0，方式1工作，由于預(yù)裝初值需要時間，所以不是準確計數(shù)。,變量,說明,變量,說明,nn,主函數(shù)內(nèi)延遲時間循環(huán)變量,kk,按鍵值,t0,隨定時器中斷次數(shù)遞增變量,nn,局部靜態(tài)變量，隨定時器中斷次數(shù)增加,t