Stateflow基本語法詳解

Stateflow是MATLAB工具箱中的一個重要組件，主要用於事件驅動系統的建模、仿真、驗證和代碼自動生成。Stateflow可以快速地建立可視化的狀態圖，用於描述離散狀態和連續狀態的動態行為。本文將從多個方面對Stateflow基本語法進行詳細闡述，並給出相應的代碼示例。

一、狀態和事件

在Stateflow中，狀態可以理解為系統的一個特定的狀態，例如：假設我們建立了一個售貨機的狀態圖，而狀態可以是「等待投幣」、「選擇商品」、「支付」、「出貨」等狀態。用Stateflow圖描述狀態之間的轉移，以及狀態與事件之間的關係，其中事件是使系統從當前狀態轉移到下一個狀態的觸發源。

一個Stateflow圖通常包含一個或多個state，以及它們之間的transition。一個state有如下的特徵：

• 擁有一個名字，表示當前狀態。
• 可以有一個或多個入口，表示進入當前狀態的條件。
• 可以有一個或多個出口，表示狀態轉移後的下一個狀態。
• 可以有一個或多個事件，表示觸髮狀態轉移的事件。
• 可以有一個可選擇的default transition，表示當沒有任何條件滿足時，狀態轉移到的下一個狀態。

下面給出一個簡單的狀態機的示例，實現了一個紅綠燈的控制，以及一個按鈕等待信號並在按下後觸髮狀態轉移：

chart light_controller

state (Idle) //初始狀態
entry / no_light();

state (Green)
entry / green_light();

state (Red)
entry / red_light();

state (Button_Pressed) //按下狀態
entry / button_pressed();

transition (Idle, Green) / (green_light_on) //初始狀態到綠燈狀態
transition (Green, Red) / (time_out) //綠燈到紅燈狀態
transition (Red, Green) / (time_out) //紅燈到綠燈狀態
transition (Red, Button_Pressed) / (button_pressed) //紅燈到按下狀態
transition (Green, Button_Pressed) / (button_pressed) //綠燈到按下狀態
transition (Button_Pressed, Green) / (time_out) //按下狀態到綠燈狀態
transition (Button_Pressed, Red) / (time_out) //按下狀態到紅燈狀態

event green_light_on;
event time_out;
event button_pressed;

// 操作函數
function no_light()
clear light;
end

function green_light()
light = 1;
end

function red_light()
light = 2;
end

function button_pressed()
light = 0;
end

二、Truth Table 與 Decision Block

Truth Table 是 Stateflow 決策塊(Decision Block)最常用的子塊之一。Truth Table通常用於將輸入信號映射到輸出信號，以便在決策塊中具有更清晰的邏輯表達式。常見的使用方式是給定一系列的輸入值和對應的輸出值，通過Truth Table來完成映射，並將她們嵌入到決策塊中，組合成決策邏輯。

下面是一個更加實際的例子，假設我們要實現一個簡單的鬧鈴系統，需要根據當前的時間和用戶設定的鬧鈴時間來觸發鬧鈴。特別的，如果設定了「重複」功能，則每天該時間點都會觸發鬧鈴。

chart alarm_system

input int alarm_time; //用戶設定的鬧鈴時間
input int current_time; //當前時間
input boolean repeat; //是否重複

output boolean alarm;//輸出信號，用於觸發鬧鈴

// 決策塊
decision Alarm_Decision
truth_table
//TureTable中的輸入，即映射規則
TC: alarm_time
DZ: current_time
CX: repeat
//TrueTable中的輸出，即映射的結果
0	1	1	0;
0	1	0	0;
1	1	1	1;
1	1	0	1;
end_truth_table

//根據TruthTable的結果，判斷是否響鈴
if (Alarm_Decision) {
alarm = true;
} else {
alarm = false;
}

三、超時和計數器

超時和計數器可以幫助我們在Stateflow中實現更加複雜的邏輯，例如倒計時、時序控制等。超時通常可以理解為在經過一定等待時間後觸發某個事件。計數器可以幫助我們記錄某個事件在state中執行的次數。以下是兩個相關的例子：

chart timeout_example

state Timer
timeout(TIME) / timer_out;

state End

transition (Timer, End) / timer_out;

entry / set_timer();

const int TIME = 1000; // 1s

function set_timer()
reset_timer(Timer, TIME);
end

在這個例子中，我們創建一個state，名為 「Timer 」。當進入 Timer 狀態時，然後設定一個明確的超時事件，在指定時間後跳轉到狀態「End」。可以通過reset_time函數來設定超時時間。

下面給出一個計數器的例子，假設我們現在要對汽車的車速進行實時監控，如果車速大於某個閾值，則提示需要減速。我們將這個過程分為三個狀態，將車速傳感器的讀數作為輸入值，在「檢查」狀態中判斷車速是否大於閾值，如果大於閾值，計數器計數，則跳轉至「提示」狀態，彈出提示信息，然後跳轉回「檢查」狀態。

chart speed_monitoring

input int speed; //車速
output boolean prompt; //是否提示

state Check
entry / reset_counter();
on entry {if (speed > THRESHOLD) {counter ++;}}

state Prompt
entry / emit_prompt();
on entry {prompt = true;}

state End

transition (Check, Prompt) / counter > 0;

transition (Prompt, Check) / true;

const int THRESHOLD = 60; //判斷閾值
int counter = 0; //計數器

function reset_counter()
counter = 0;
end

function emit_prompt()
prompt = false;
end

四、MATLAB函數的使用

Stateflow與MATLAB緊密集成，可以通過編寫MATLAB函數來對Stateflow的狀態，變量和事件進行更加靈活的操作。在這個部分，我們將學習如何在Stateflow中使用MATLAB函數。

首先，在Stateflow中必須定義所有的變量類型、輸入和輸出參數，以保證與MATLAB環境的交互。下面是一個簡單的例子，其中使用了MATLAB內置的sin函數來生成一個簡單的正弦波形：

chart sine_wave

output int y;

state SineWave {
entry / set_phase();
during / y = amplitude * sin( 2 * pi * frequency * time + phase_offset );
}

function set_phase()
time = 0;
phase_offset = pi/4; 
end

const double amplitude = 5.0;
const double frequency = 1.0;
double time = 0;
double phase_offset = 0;

在這個例子中，我們定義了一個SineWave狀態，並在其中使用sin函數。而這個函數體內的變量（time，phase_offset）均為類似MATLAB腳本的變量。此外，我們還需要在Stateflow圖的Parameter Viewer中針對輸入和輸出參數定義相應的類型和名稱，以將它們與MATLAB代碼進行對接。

五、測試和仿真

最後，我們需要進行測試和仿真以驗證Stateflow圖的正確性。Stateflow可以通過生成C代碼進行桌面仿真，也可以通過Simulink進行實時仿真。通常情況下，我們可以先在桌面上進行仿真，當Stateflow圖的行為被驗證後，再通過Simulink進行硬件驗證。

在Simulink中使用Stateflow特別簡單。首先，我們需要將Stateflow模塊向Simulink模型中添加，並將它與其他Simulink模塊進行連接。然後，我們需要將Stateflow圖編譯成C代碼，從而生成可執行文件。最後，我們可以在Simulink的軟件仿真環境中，通過執行生成的可執行文件來計算狀態轉移到的結果，並進行相應的輸出。下面是如何進行桌面仿真和硬件驗證的一個簡單例子：

% 桌面仿真代碼
load_system("model.slx"); % 加載模型
configure(model); % 參數配置
sim(model); % 開始仿真

有關如何進行硬件驗證的詳細步驟，參見Simulink的相關文檔。

結論

通過以上的介紹，我們詳細了解了Stateflow的基本語法和使用，包括狀態和事件、Truth Table和Decision Block、超時和計數器、MATLAB函數的使用和測試和仿真。 Stateflow是一個非常強大的建模和仿真工具，為許多關鍵系統提供可視化的狀態轉移模型，並實現了高效的代碼自動生成和測試驗證功能。在實際的軟件開發過程中，我們可以靈活運用Stateflow來提高系統的可靠性和效率。