1、详细讲解Stateflow建模与应用实例port_label(input,1,signal);port_label(output,1,gain);port_label(output,2,saturation);port_label(output,3,sample);port_label(output,4,error);image(imread(dianji.jpg)第3章Stateflow建模与应用Stateflow是有限状态机（finite state machine）的图形工具，它通过开发有限状态机和流程图扩展了Simulink的功能。Stateflow使用自然、可读和易理解的形式，可使复
2、杂的逻辑问题变得清晰与简单，并且还与MATLABSimulink紧密集成，为包含控制、优先级管理、工作模式逻辑的嵌入式系统设计提供了有效的开发手段，是本书的核心内容之一。读者在58章将看到Stateflow应用于MCU器件的嵌入式开发，尤其显得得心应手，一些采用传统方法难于实现的算法，如果利用Stateflow建模却非常容易。大到导弹、航空航天器的控制，小到点亮一个发光二极管，Stateflow都非常称职。Stateflow状态图模型，还可利用Stateflow Coder代码生成工具，直接生成C代码。Stateflow的主要功能包括：使用层次化、可并行的、有明确执行语义的元素，来描述复杂的逻
3、辑系统。 采用流程图定义图形化函数。利用真值表实现表格形式的功能。 使用临时逻辑处理状态转移与事件。 支持Mealy和Moore有限状态机。 可集成用户自定义的C代码。 可用动画的形式显示状态图的仿真运行过程，并可记录数据。 调试器使用图形化断点进行单步调试，并可观察其中的数据。本章主要内容：Stateflow工作原理与基本概念建立Stateflow状态图与流程图Stateflow的层次结构与并行机制Stateflow应用3.1Stateflow基本概念Stateflow对象可分为图形对象与非图形对象。图形对象有状态、历史节点、迁移、默认迁移、连接节点、真值表、图形函数、Embedded MA
4、TLAB函数、盒函数、Simulink函数；非图形对象有事件、数据、目标。本节首先介绍常用的对象：状态、迁移、数据、事件的概念和使用，连接节点留待3.3节、历史节点留待3.4节，其余对象留待3.5节说明。Stateflow状态机使用一种基于容器的层次结构管理Stateflow对象，也就是说，一个Stateflow对象可以包含其他Stateflow对象。最高级的对象是Stateflow状态机，它包含了所有的Stateflow对象，因此也就包含了Simulink中的所有Stateflow状态图，以及数据、事件、目标对象。同样地，状态图包含了状态、盒函数、函数、数据、事件、迁移、节点与注释事件（no
5、te events）。用户可以使用这一系列对象，建立一个Stateflow状态图。而具体到一个状态，它也可以包含上述的对象。图3.1.1抽象地说明了这样的关系，而图3.1.2则具体地说明了Stateflow状态机的组成。图3.1.1Stateflow层次机构（数据字典）图3.1.2 Stateflow状态机的组成3.1.1状态图编辑器在Simulink模块库浏览器，找到Stateflow模块，如图3.1.3所示，添加入模型窗口，如图3.1.4所示。图3.1.3 Stateflow模块用户也可以使用以下命令，建立带有Stateflow状态图的Simulink模型，如图3.1.4所示，同时打开St
6、ateflow模块库，如图3.1.5所示。sf图3.1.4 带有Stateflow状态图的Simulink模型图3.1.5 Stateflow模块库用户还可以直接使用以下命令，快速建立带有Stateflow状态图的Simulink模型。sfnew双击Chart模块，打开Stateflow编辑器窗口，如图3.1.6所示，左侧工具栏列出了Stateflow图形对象的按钮。图3.1.6 Stateflow编辑器窗口3.1.2状态状态可以理解为事件驱动系统中的模式，可分为激活与非激活状态，而状态是否激活则是由状态图中的事件与条件决定的，若没有预先定义的事件或条件发生，状态将一直保持其原先的激活或非激活
7、状态。1. 状态的层次结构状态可以包含除了目标（详见第3.6.6节）以外的所有Stateflow对象，所以状态内部可以有其他状态，如图3.1.7所示，处于外层的A称作超状态（或父状态），处于内部的B称作子状态。每一个状态都有其父状态，图3.1.7中，状态A的父状态就是Stateflow状态图本身。图3.1.7 超状态与子状态2. 状态的横向结构在Stateflow状态图的顶层或某一超状态下，通常并存有多个状态，它们之间的关系可分为互斥与并行。(1) 互斥状态（OR）互斥状态的矩形框边缘显示为实线，同一级的互斥状态，至多允许激活一个状态。如图3.1.8所示的状态图，状态A与状态B是互斥的，它们只
8、能有一个处于激活状态；当状态A被激活时，同样其子状态A1与A2也只能有一个处于激活状态。图3.1.8互斥状态(2) 并行状态（AND）并行状态的矩形框边缘显示为虚线，同一级的并行状态，可在同一时刻被激活。如图3.1.9所示的状态图。状态A与状态B是并行的，它们可同时处于激活状态；子状态A1与A2也同时处于激活状态，而子状态B1与B2只能有一个处于激活状态。图3.1.9并行状态状态层次结构与并行机制的详细概念与应用，见3.4与3.5节。3. 状态标签状态名仅是状态标签的一部分，完整的标签格式如下，第一行是状态名，以下若干行是各类动作，用户可以设置全部或部分的状态动作，当然也可以不设置任何动作。n
9、ame/ 状态名entry: entry actions 进入该状态时的动作during: during actions 处于该状态时的动作exit: exit actions 退出该状态时的动作on event_name: on event_name actions 某事件发生时的动作bind: events, data 指定需要限制作用范围的事件与数据状态名状态名可由字母、数字、下划线组成，如果状态名后跟随的是回车符，则斜线是可有可无的。根据Stateflow的分层结构，同级的各个子状态不允许重名，但不同级的状态则不受限制。图3.1.10所示的Stateflow状态图是有效的，尽管看上去状
10、态C1、C2有重名现象，但在Stateflow分层结构中，它们的全名分别是：A.OnA.OffB.OnB.Off图3.1.10状态名状态动作状态动作如表3.1.1所列。表3.1.1状态动作类型动作类型缩写说明entryen进入当前状态时的动作duringdu处于当前状态，并且某事件发生时的动作Executes when the state isactive and a specific eventoccursexitex离开当前状态时的动作bind无约束一个事件或数据，使得仅当前状态及其子状态有权限广播该事件或修改该数据on event_name无当前状态接收1次广播事件时的动作on afte
11、r(n,event_name)无当前状态完整接收n次广播事件后的动作on before(n,event_name)无当前状态完整接收n次广播事件前的动作on at(n, event_name)无当前状态完整接收n次广播事件时的动作on every(n,event_name)无当前状态每接收n次广播事件时的动作每个动作类型，用户可指定多个具体动作，每个动作之间以回车、分号、逗号区隔，动作类型关键词后必须跟随一个半角冒号。(1) entry动作关键词为entry（或缩写为en）。如果用户在状态名后加入斜线，并直接跟随具体动作，则该动作默认为进入动作。如图3.1.11所示，进入状态A时，y=3，同时
12、又执行y+，最终的结果y=4。图3.1.11 entry动作(2) during动作关键词为during（或缩写为du）。如图3.1.12所示，进入状态A时，y=3，同时不断执行y+。若求解器的定点步长取0.2，仿真时长取2，则最终的结果y=13。图3.1.12 during动作(3) exit动作关键词为exit（或缩写为ex）。如图3.1.13所示，系统处于状态A，当A的激活时间达到5个仿真步长，退出状态A，进入状态B，最终的结果y=4，如图3.1.14所示。图3.1.13 exit动作图3.1.14 输出结果(4) 广播事件动作表3.1.1所列的广播事件动作，能实现各种的事件触发。以单次
13、广播事件动作为例，关键词为on event_name，其中event_name表示某一广播事件名，事件名应是唯一的。如图3.1.15所示，系统处于状态A，当检测到事件stop，立即执行c()。图3.1.15广播事件动作(5) bind动作关键词为bind。如图3.1.16所示，变量y、事件start被绑定在状态A，这表示仅有A状态及其子状态有权限修改变量y并广播事件start，其他状态B能够读取变量y、监听到事件start，但无权修改变量y、广播事件start。图3.1.16 bind动作若运行该状态图，系统提示变量y仅能由状态A及其内部的状态迁移修改，事件start仅能在状态A。图3.1.1
14、7 错误提示与其他动作不同，bind动作不需要判断当前状态是否已激活，也就是说它在整个Stateflow状态图范围内都是有效的，因此不同状态不允许约束同一个变量与事件。如图3.1.18所示，状态A、B同时约束了变量y，系统提示这是不允许的。图3.1.18 无效的bind动作图3.1.19 错误提示3.1.3迁移1.迁移Stateflow状态图使用一条单向箭头曲线表示迁移，它将两个图形对象连接起来，多数情况下，迁移是指系统从源状态向目标状态的转移。在迁移曲线上加上标签，可以指定系统在何种条件下从源状态向目标状态转移。如图3.1.20所示，当系统处于状态A1时间达到1秒，即向状态A2迁移。图3.1
15、.20 状态迁移2. 默认迁移默认迁移是一种特殊的迁移形式，它没有源对象。用于指定同一级有多个互斥状态并存时，首先激活的状态。某些情况下，默认迁移也可以加入标签，限制其所指向目标状态的激活。如图3.1.21所示，状态A1与A2是互斥的，当它们的父状态A激活时，状态A1也同时激活。图3.1.21 默认迁移3. 迁移标签迁移标签的完整格式如下，它可用于一般迁移与默认迁移，如图3.1.22所示。 eventconditioncondition_action/transition_action图3.1.22 完整的迁移标签各字段的意义如表3.1.2所示：表3.1.2迁移标签字段标签字段说明event引
16、发迁移的事件condition条件动作与迁移的发生条件condition_action当条件为真时，执行的动作/transition_action发生迁移，进入目标状态前所执行的动作1事件指定迁移的触发事件。如果用户另行指定了触发条件，则当条件为真，且发生该触发事件时，即发生迁移。这是个可选项，如果用户不指定触发事件，则任何事件都能够引发该迁移。多个触发事件之间使用逻辑或运算符“|”分隔。如图3.1.20，当条件after(1,sec)为真时，触发了迁移，系统状态从A1变成A2。条件条件是一个布尔表达式，当它为真时，一旦发生指定的触发事件，则发生迁移。条件表达式的前后必须使用方括号“ ”包围。
17、如图3.1.23所示，当条件 y=3 为真时，发生迁移。条件动作当条件表达式为真时，立刻执行条件动作。若事先未指定条件，系统则假设条件为真，并执行该条件动作。如图3.1.23所示，当条件 y=3 为真，条件动作 y=10 立刻执行。迁移动作当迁移目标有效时，执行迁移动作。若迁移标签由多个字段组成，则当整个标签有效时，执行迁移动作。如图3.1.23所示，当条件 y=3 为真，且目标状态B有效时，发生迁移，并执行迁移动作z=20。运行结果如图3.1.24所示：图3.1.23 迁移条件与动作图3.1.24 输出结果4. 迁移有效条件对于非默认的迁移，当源对象处于激活状态的且迁移标签有效时，发生迁移；
18、对于默认迁移，当其父状态被激活时，发生迁移。表3.1.3列出了迁移标签的有效条件，用户可以根据需要，选择性地输入迁移标签的部分或全部字段。表3.1.3迁移标签有效条件标签内容标签有效条件仅事件该事件发生事件与条件该事件发生及条件为真仅条件任何事件发生及条件为真仅行动任何事件发生空任何事件发生3.1.4数据与事件图3.1.1所示的数据字典中，数据与事件是合并在一个圆圈内的，这表明他们有相似之处，这里合并介绍。1. 数据数据是非图形的对象，它有一个很重要的特性：作用域，用户在使用数据时必须明确定义该特性。根据作用域的不同，数据可分为：Stateflow状态图本地数据（Local）；自外部Simul
19、ink模块输入的数据（Input from Simulink）；向外部Simulink模块输出的数据（Output from Simulink）；临时数据定义在MATLAB工作空间的数据；常数（Constant）；向Simulink模型与Stateflow状态图外部的目标（代码）导出的数据；自Simulink模型与Stateflow状态图外部的源代码导入的数据。数据的简单使用，见3.2.4小节。2. 事件事件也是非图形的对象，它驱动着整个Stateflow状态图的运行。如同数据，事件同样有它的作用域，根据作用域的不同，事件可分为：Stateflow状态图本地事件；自外部Simulink模块输入
20、的事件；向外部Simulink模块输出的事件；事件的简单使用，见3.2.4；事件的分类，见3.5各小节。3. 动作Stateflow状态图支持状态动作、条件动作、迁移动作，已在上文做了简要介绍。这里所说的动作可以是一个函数调用，广播事件，数学运算等等。例如：函数调用：ml.log10(x);事件广播：Start;Stop;数学运算：x=1;y=2;z=x+y;3.1.5对象的命名规则以上简要介绍了常用对象的概念，用户可以使用任意的字母、数字与下划线的组合为这些对象命名，但名称不能以数字开头，中间也不能有空格。由于Real-Time Workshop代码生成工具的限制，对象的名称不能超过一定长度
21、，用户可以在模型参数设置对话框的Real-Time WorkshopSymbols面板进行修改，默认的长度是31，最大的长度是256，如图3.1.25所示。图3.1.25设置对象名称的长度表3.1.4列出了一些关键字，它们是Stateflow动作语言的组成部分，因此是不能用来为对象命名的。表3.1.4 关键字关键字在Stateflow中的用途hasChanged,hasChangedFrom,hasChangedTo变更监测complex, imag, real复数数据boolean, double, int8,int16, int32, single,uint8, uint16, uint3
22、2数据类型cast, fixdt, type数据类型操作send明确事件change, chg, tick, wakeup隐含事件false, inf, true, t标志位matlab, mlMATLAB函数与数据bind, du, during, en,entry, ex, exit, on状态动作in状态激活after, at, before, every,sec, temporalCount时间逻辑3.2Stateflow状态图长跑比赛时，通常要用到以圈计时的方法，它的意思是：计时器初次开启时，2组数码管皆清零；运动员出发时，按下Start按钮开始计时，数码管1显示实时时间；第一次回到
23、起点，表示跑完一圈，这时按下LAP按钮，数码管2显示当前的时间值，表示一圈所花费的时间，但比赛仍在进行，因此计时器仍然在计时；再次按下Start按钮，2组数码管同时显示最后的时间；第三次按下Start按钮，2组数码管清零，回到初始状态。本节以此为例，说明Stateflow状态图的建立过程。3.2.1状态1.添加状态新建一个空白的Stateflow模型，单击状态按钮，并在Stateflow窗口的适当位置再次单击，加入一个状态，如图3.2.1所示。在加入之前，用户可随时按下键盘的ESC键，或再次单击按钮，取消添加。图3.2.1 添加状态2.状态命名在状态矩形框左上角的编辑提示符后，输入状态的名称，
24、如stop，如图3.2.2所示。若需要修改状态名，可将鼠标移至名称附近，待光标变成编辑样式时，再单击修改，如图3.2.3所示。图3.2.2 状态命名 图3.2.3 状态名修改3.添加子状态将鼠标移至状态矩形框4个角落的任意一个，调整其大小，如图3.2.4所示。图3.2.4 调整状态框再按步骤、，添加状态Reset、Finished，放置在状态Stop的矩形框内，这时Stop为超状态，Reset、Finished为子状态，如图3.2.5所示。图3.2.5 父状态与子状态3.2.2迁移1. 添加迁移将鼠标移至源状态矩形框的边缘，当光标变成十字时，如图3.2.6所示，按下左键并拖向目标状态的边缘，然
25、后释放，如图3.2.7所示，即添加了一个迁移。图3.2.6 迁移起点 图3.2.7迁移终点2. 添加默认迁移单击，将鼠标移至默认状态矩形框的水平或垂直边缘，如图3.2.8所示。图3.2.8 选择默认迁移再次单击，即添加了一个默认迁移，如图3.2.9所示。图3.2.9添加默认迁移由于Stop是父状态，还需要针对其中的子状态，设置默认迁移，如图3.2.10所示，关于Stateflow的层次结构，详见3.4节。图3.2.10添加子状态默认迁移3. 迁移变更鼠标放置在迁移的起点或终点，当光标变成圆圈时（图3.2.11），按住鼠标左键，可将该端点移至其他状态，如图3.2.12所示。图3.2.11 开始迁
26、移变更 图3.2.12完成迁移变更将默认迁移的起点移至某一状态，即转换为一般迁移；将一般迁移的起点悬空，即转化为默认迁移，如图3.2.13所示，若迁移终点悬空，则该迁移无效，如图3.2.14所示。图3.2.13迁移起点变更 图3.2.14迁移终点变更4. 迁移标签新建的迁移标签不包含任何文字信息，用户单击迁移曲线一次，曲线上方显示“？”如图3.2.15所示：图3.2.15 添加迁移标签将鼠标移至“？”附近，再次单击，当显示编辑光标时，可编辑迁移标签，如图3.2.16所示。图3.2.16编辑迁移标签完成编辑后，将鼠标放在标签的任意位置，按住左键并拖动，调整标签的位置，如图3.2.17所示。图3.
27、2.17 移动迁移标签3.2.3计时器状态图根据以圈计时的特点，整个系统可分为2个父状态：停止与运行。停止状态包含2个子状态：计时器清零Reset、计时器停止Finished；运行状态也包含2个子状态：计时器运行Running、以圈计时LAP。如图3.2.18所示：图3.2.18 添加4个状态再根据各状态之间的联系，添加默认迁移、迁移以及迁移标签，如图3.2.19所示。图中的迁移标签start表示按下start按钮这个事件，而LAP则表示按下LAP按钮。图3.2.19 添加迁移及迁移标签3.2.4数据与事件以圈计时需要2组数码管显示当前以及记录的分、秒、百分秒，另有两个按钮，为此需要添加6个数
28、据与2个事件。数据是向外输出的，而事件是自外输入的。添加数据或事件的方法有两种：使用菜单项Add或使用模型浏览器（Model Explorer）。前者的优势是添加方便，但菜单项仅提供了添加功能，无法通过菜单删除已添加的数据或事件，因此我们推荐用户使用模型浏览器。为了照顾读者的不同需求，本文仍旧介绍两种添加方式。1. 菜单项在Stateflow编辑器窗口，选择菜单项AddDataOutput to Simulink，如图3.2.20所示。图3.2.20 添加输出数据在Name栏填入输出变量名min，另外用户在scope栏还可以再次决定变量的作用域，如图3.2.21所示。图3.2.21 修改数据名
29、及作用范围2. 模型浏览器在Stateflow状态图的顶层（即不选中任何图形对象），选择菜单项ToolsExplore，或直接按下Stateflow编辑器窗口的工具栏按钮，打开模型浏览器，并确认已选中左侧模型结构图中的Chart节点，如图3.2.22所示。图3.2.22 模型浏览器在浏览器窗口的工具栏找到按钮、与，添加一个数据/事件或删除对应项。在中部窗口选中数据/事件的条目，右侧窗口即显示它的属性，如图3.2.23所示。与菜单项方法不同的是，使用浏览器添加的数据/事件，默认的作用域是本地（Local），用户需要手动修改为外部输入或外部输出。 图3.2.23利用模型浏览器修改数据对于事件，用户
30、还需指定它的触发方式，Rising表示上升沿、Failing表示下降沿，而Either表示上升或下降沿皆可触发，本例的两个输入事件start与LAP皆选用Either方式触发，如图3.2.24所示。图3.2.24利用模型浏览器修改事件有多个数据或事件时，用户还可以指定它们的端口号，合理地排列这些端口，将有利于以后的Simulink模块连线。如图3.2.25所示，是完整的数据与事件列表。图3.2.25数据与事件列表3.2.5动作上文提到，显示时间值可以定义为状态动作，也可以定义为迁移动作。为不失一般性，本小节分别说明这两种动作的定义方法。计时器复位时，2组数码管皆应清零，因此设置子状态Reset的进入动作为：Resetentry:min=0;sec=0;percent=0;minbuf=0;secbuf=0;percentbuf=0;按下LAP按钮或再次按下start时，数码管2都必须显示当前时刻，因此设置子状态LAP与Fin
