嵌入式軟件開發中常用的狀態機編程實現

在嵌入式軟件開發中，狀態機編程是一個十分重要的編程思想，它也是嵌入式開發中一個常用的編程框架。掌握了狀態機編程思想，可以更加邏輯清晰的實現復雜的業務邏輯功能。

1 狀態機思想

狀態機，或稱有限狀態機FSM（Finite?State Machine），是一種重要的編程思想。

狀態機有3要素：狀態、事件與響應

狀態：系統處在什么狀態？

事件：發生了什么事？

響應：此狀態下發生了這樣的事，系統要如何處理？

狀態機編程前，首先要根據需要實現的功能，整理出一個對應的狀態轉換圖(狀態機圖)，然后就可以根據這個狀態轉換圖，套用狀態機編程模板，實現對應是狀態機代碼了。

狀態機編程主要有 3 種方法：switch-case 法、表格驅動法、函數指針法，本篇先介紹最簡單也最易理解的switch-case 法。

2 狀態機實例

下面以按鍵消抖功能，來介紹switch-case 法的狀態機編程思路。

2.1 按鈕消抖狀態轉換圖

狀態機機編程前，首先要明確的對應功能的狀態機需要幾個狀態，本例的按鍵功能，只檢測最基礎的按下與松開狀態（暫不實現長按、雙擊等狀態），并增加對應的按鈕去抖功能，因此，需要用到4個狀態：

穩定松開狀態

按下抖動狀態

穩定按下狀態

松開抖動狀態

對應的狀態轉換圖如下：

由于按鍵通常處于松開狀態，這里讓狀態機的初始化狀態為松開狀態，然后在這4個狀態中來回切換。

圖中的VT代表按鍵檢測到電平，VT=0即檢測到低電平，可能是按鍵按下，由初始的“穩定松開”狀態轉為“按下抖動”狀態

當持續檢測到低電平(VT=0)一段時間后，認為消抖完成，由“按下抖動”狀態轉為“穩定按下”狀態

在“按下抖動”狀態時，在指定的一段時間內，再次檢測到高電平(VT=1)，說明確實是按鈕抖動（比如按鍵被快速撥動了一下又彈起，或強烈震動導致的按鍵抖動），則由“按下抖動”狀態轉為“穩定松開”狀態

2.2 編程實現

2.2.1 狀態定義

對應上面的按鈕狀態圖，可以知道需要用到4個狀態：

穩定松開狀態（KS_RELEASE）

按下抖動狀態（KS_PRESS_SHAKE）

穩定按下狀態（KS_PRESS）

松開抖動狀態（KS_RELEASE_SHAKE）

這里使用枚舉來定義這4個狀態。為了在調試時，能夠把對應狀態名稱以字符串的形式打印出來，這里使用宏定義的一個小技巧：

#符號+自定義的枚舉名稱

即可自動轉變為字符串形式，再將這些字符串放到const char* key_status_name[]數組中，便可通過數組的形式訪問這些狀態的字符串名稱形式。

此外，為了不重復書寫枚舉名稱與對應的枚舉字符串(#+枚舉名稱)，進一步使用宏定義的方式，只定義一次狀態，然后通過下面兩條宏定義，實現對枚舉項和枚舉項對應的字符串的分別獲取：

#define?ENUM_ITEM(ITEM)?ITEM,#define?ENUM_STRING(ITEM)?#ITEM,

具體是宏定義、枚舉定義與枚舉名稱數組聲明如下：

#define?ENUM_ITEM(ITEM)?ITEM,#define?ENUM_STRING(ITEM)?#ITEM,#define?KEY_STATUS_ENUM(STATUS)???????????????
????STATUS(KS_RELEASE)???????/*穩定松開狀態*/???
????STATUS(KS_PRESS_SHAKE)???/*按下抖動狀態*/?
????
??STATUS(KS_PRESS)???????/*穩定按下狀態*/????
???STATUS(KS_RELEASE_SHAKE)?/*松開抖動狀態*/??????
?STATUS(KS_NUM)???????????/*狀態總數(無效狀態)*/??	
ypedef?enum{KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)}KEY_STATUS;const?char*?key_status_name[]?=?{KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)};

宏定義不便理解的，可以將宏定義分別帶入，轉為最終的結果，理解替代后的具體形式，比如下面的宏定義帶入替換示意：

/*KEY_STATUS_ENUM(STATUS)?-->?
STATUS(KS_RELEASE)?...?
STATUS(KS_NUM)KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)-->?
ENUM_ITEM(KS_RELEASE)?...?
ENUM_ITEM(KS_NUM)-->?KS_RELEASE,?...
?KS_NUM,KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)-->?
ENUM_STRING(KS_RELEASE)?...
?ENUM_STRING(KS_NUM)-->
#KS_RELEASE,?...?#KS_NUM,*/

2.2.2 狀態機實現

下面是狀態機的具體實現：

狀態機函數key_status_check在一個循環中，被每隔10ms調用一次

定義一個g_keyStatus表示狀態機所處的狀態

在每個循環中，switch根據當前的狀態，執行對應狀態所需要執行的邏輯

定義一個g_DebounceCnt用于消抖時間計算，當持續進入消抖狀態，每次循環(10ms)中將此值加1，持續一定次數(5次，即50ms)，認為是穩定的按下或松開，消抖完成，跳轉到穩定方向或穩定松開狀態

在每個狀態的執行邏輯中，當檢測到某些條件滿足時，跳轉到其它的狀態

通過狀態的不斷跳轉，實現狀態機的運行

此外，為方便觀察狀態機中狀態的變化，定義了一個g_lastKeyStatus表示前一狀態，當狀態發生變化時，可以將狀態名稱打印出來

KEY_STATUS?g_keyStatus?=?KS_RELEASE;?//當前按鍵的狀態
KEY_STATUS?g_lastKeyStatus?=?KS_NUM;?//上一狀態
int?g_DebounceCnt?=?0;?//消抖時間計數
void?key_status_check(){switch(g_keyStatus){//按鍵釋放(初始狀態)
case?KS_RELEASE:{//檢測到低電平，先進行消抖if?(KEY0?==?0){g_keyStatus?=?KS_PRESS_SHAKE;g_DebounceCnt?=?0;}}break;//按下抖動
case?KS_PRESS_SHAKE:{g_DebounceCnt++;//確實是抖動
if?(KEY0?==?1){g_keyStatus?=?KS_RELEASE;}//消抖完成
else?if?(g_DebounceCnt?==?5){g_keyStatus?=?KS_PRESS;printf("=====>?key?press
");}}break;//穩定按下
case?KS_PRESS:{//檢測到高電平，先進行消抖
if?(KEY0?==?1){g_keyStatus?=?KS_RELEASE_SHAKE;g_DebounceCnt?=?0;}}break;//松開抖動
case?KS_RELEASE_SHAKE:{g_DebounceCnt++;//
確實是抖動if?(KEY0?==?0){g_keyStatus?=?KS_PRESS;}//消抖完成
else?if?(g_DebounceCnt?==?5){g_keyStatus?=?KS_RELEASE;printf("=====>?key?release
");}}break;default:break;}if?(g_keyStatus?!=?g_lastKeyStatus){g_lastKeyStatus?=?g_keyStatus;printf("new?key?status:%d(%s)
",?g_keyStatus,?key_status_name[g_keyStatus]);}}int?main(void){delay_init();????//延時函數初始化?
?KEY_Init();uart_init(115200);printf("hello
");while(1){key_status_check();delay_ms(10);}}

注：本例程需要使用一個按鍵，需要初始化對應的GPIO，這里不再貼代碼。

2.3 使用測試

將完整的代碼編譯后燒錄到板子中，連接串口，按下與松開按鍵，觀察串口輸出信息。

我的測試輸出信息如下：