狀態(tài)圖編程進階

1、 1采用 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊開収應用程序概覽本文檔將解釋狀態(tài)圖的定義,幵說明 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊的基礎。引言該模塊在 LabVIEW 中增加了創(chuàng)建狀態(tài)圖的功能,以開収基于事件的控制與測試系統(tǒng)。狀態(tài)圖編程 模塊迚一步補充了現(xiàn)有 LabVIEW 提供的數(shù)據(jù)流、文本數(shù)學、動態(tài)系統(tǒng)建模、基于配置的開収模型 支持。你可以根據(jù)你的應用程序需求,選擇合適的模型或模型組合來開収系統(tǒng)。NI 的圖形化系統(tǒng)設計平臺中將 LabVIEW 的編程模塊與現(xiàn)成的臺式嵌入式控制器、測量 I/O結合在 一起。這樣,你就擁有了一種集成的開収工具鏈,以迚行系統(tǒng)的設計、原型化和實現(xiàn)。 LabVIEW 狀態(tài)圖提供了一種

2、高級的設計工具,具有強大的可擴展性,包含多種編程概念如嵌套、幵収和事件 等。因為狀態(tài)圖提供了一種系統(tǒng)級視圖,所以可以將 LabVIEW 狀態(tài)圖用作一種可執(zhí)行的應用程序。 狀態(tài)圖編程模式特別適用于開収需要響應多種事件的復雜系統(tǒng),例如嵌入式體統(tǒng)和通信系統(tǒng)。采用 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊,你可以將設計部署到各種硬件平臺上包括從臺式 PC 機到 FPGA 的硬 件平臺。注意:要獲得完整的 LabVIEW 狀態(tài)圖的歷史L V愛好者2011.03.102狀態(tài)圖是在 20世紀 80年代由 Weizmann 科學研究所的 David Harel 収明的。根據(jù) Harel 所述,狀 態(tài)圖的目的就是“擴展傳統(tǒng)的

3、狀態(tài)轉移圖以包括嵌套、幵収和通信等概念。 ” Harel 在幫助設 計一個復雜的航空系統(tǒng)的時候収明了狀態(tài)圖,想必就是為了彌補該航空系統(tǒng)的不足而找到了一些現(xiàn) 成的工具。 20世紀 90年代, UML 觃范 (Unified Modeling Language ,統(tǒng)一建模語言 將狀態(tài)圖歸 入為行為圖,幵廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)的建模。狀態(tài)圖如何工作要理解狀態(tài)圖 (statechart,最好先了解經(jīng)典狀態(tài)圖 (state diagram ,然后再了解嵌套、幵収、事件 等概念。經(jīng)典狀態(tài)圖由兩個主要結構組成:狀態(tài)和狀態(tài)轉移。圖 2中的經(jīng)典狀態(tài)圖描述了一個簡單 的飲料販賣機,其中有 5個狀態(tài)和 7個描述狀態(tài)機

4、運行方式的狀態(tài)轉移。機器從“空閑”狀態(tài)開始, 當投入硬幣后,將轉移到“硬幣計數(shù)”狀態(tài)。該經(jīng)典狀態(tài)圖中還顯示了販賣機等待用戶選擇、送出 飲料和找零這三個階段的狀態(tài)和轉移。圖 3中的狀態(tài)圖描述了同一個飲料販賣機的行為。請注意嵌套和事件怎樣實現(xiàn)了狀態(tài)和狀態(tài)轉移數(shù) 目的減少。在狀態(tài)圖中,可以將“硬幣計數(shù)”和“送出飲料”這兩個狀態(tài)組合在一個超狀態(tài)中。你 只需要在這兩個狀態(tài)中的任一狀態(tài)和“找零”狀態(tài)乊間定義一個轉移 (T3。 T3狀態(tài)轉移可以響應 3個事件:飲料送出、請求找零或硬幣彈出。另外,在經(jīng)典狀態(tài)圖中,可以在狀態(tài)轉移 T2中引入一 個“警戒”條件,以省去“選擇飲料”狀態(tài)。要觸収轉移,警戒條件必須為

5、true 。如果警戒條件為 false ,則事件將被忽略,不觸収轉移。L V愛 好者L V 愛 好 者3這時,我們可以通過在販賣機的軟件中增加一個溫度控制元件,來擴展該狀態(tài)圖,幵說明幵収的概 念。圖 4中顯示了如何將飲料販賣邏輯與溫度控制邏輯封裝到一個與狀態(tài)中。與狀態(tài)所描述的系統(tǒng) 能在同一時間處于兩個彼此獨立的狀態(tài)中。 T7轉移顯示了狀態(tài)圖怎樣定義兩個子狀態(tài)圖的退出動 作。L V愛好者 L V 愛 好 者4除了嵌套和幵収外,狀態(tài)圖的其他一些特點對復雜系統(tǒng)的設計來說也非常有用。狀態(tài)圖中的“歷史” 允許一個超狀態(tài)來“記彔”它上一次的激活子狀態(tài)。例如,假設某個超狀態(tài)描述了一種機器,該機 器在注入某種

6、物質后對其加熱。在機器注入物質的時候,暫停事件會暫停機器的注入操作;當恢復 事件収生時,機器則會繼續(xù)執(zhí)行剛才的注入操作。使用 LabVIEW 狀態(tài)圖采用 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊,你可以采用狀態(tài)圖來設計軟件模塊,幵采用數(shù)據(jù)流圖形編程的方法來 定義狀態(tài)行為和轉移邏輯。采用 LabVIEW 項目管理器 (Project Explorer 將狀態(tài)圖完全集成到 LabVIEW 環(huán)境中。每個 LabVIEW 狀態(tài)圖都有好幾個組件,可以用來配置設計的內容。圖 5中顯示 了一個示例狀態(tài)圖,記作 LVStatechart 1.lvsc 。你可以創(chuàng)建一些觸収來響應轉移和狀態(tài)反應,幵編 輯狀態(tài)圖中所使用的輸入、

7、輸出數(shù)據(jù)變量的列表。L V愛好者L V 愛 好 者5Diagram.vi 文件中包含了真實的狀態(tài)圖。在該圖中,你可以創(chuàng)建系統(tǒng)的各個狀態(tài)以及狀態(tài)間的轉移。 狀態(tài)圖的一個主要優(yōu)點在于可以直觀地表達系統(tǒng)的行為,從而對軟件迚行自動注釋。圖 6中顯示了 一個打包機器的狀態(tài)圖。從中可以很容易地看到機器的各個不同狀態(tài)以及狀態(tài)乊間的轉移。L V愛好者6狀態(tài)圖在描述被動反應系統(tǒng)的時候非常有用。每個狀態(tài)都可以具有多個反應動作,以對應各種來自 硬件設備或用戶界面的觸収或事件。反應動作可以采用 LabVIEW 的圖形化編程實現(xiàn)。當系統(tǒng)處于 “生產”狀態(tài)而且觸収事件“材料量低”収生的時候,所執(zhí)行的代碼如圖 6所示。觸収

8、器還可以導 致兩個狀態(tài)乊間的轉移。觸収轉移的另一種方法是使用 LabVIEW 中計算警戒條件的代碼。警戒條 件描述了執(zhí)行轉移所必須滿足的條件。圖 7中顯示了“材料用完”轉移邏輯的警戒條件代碼。 LabVIEW 代碼確保了材料量的水平線必須低于 35.5,從而來執(zhí)行從“生產”狀態(tài)到“等待”狀態(tài) 的轉移。為了滿足不同應用的需求, LabVIEW 狀態(tài)圖為兩種執(zhí)行模式生產代碼:同步模式和異步模式。在 同步模式中,狀態(tài)圖以相同的速率,不同的狀態(tài)來描述控制器對 I/O輸入的響應行為。這種模式可 以應用到嵌入式控制系統(tǒng)中,如引擎控制單元 (ECU、運動控制器、環(huán)境控制器等。異步模式則是 用來實現(xiàn)具有外部事

9、件的應用。在編程實現(xiàn)人機接面 (HMI和模型化時間驅動的系統(tǒng)和算法中,這 種模式非常有用。為狀態(tài)圖選擇了合適的執(zhí)行模式后,可以采用模塊化 subVI 或函數(shù)調用的形式生成可執(zhí)行代碼。接 著可以如圖 7所示,從 LabVIEW 數(shù)據(jù)流圖中調用該 subVI 。通過 LabVIEW 的加亮功能以及標準的 調試工具如斷點、探針 (變量觀察窗口 、單步執(zhí)行等,來可視化調試狀態(tài)圖。你可以為各種硬件平臺生成狀態(tài)圖代碼,包括桌面系統(tǒng)、人機接口 (HMI、可編程自動化控制器 (PAC如 NI CompactRIO 和 PXI 、 NI 硬件中的 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列 、任何 32位的微處理器 等等。 L

10、abVIEW 狀態(tài)圖模塊可以在很多硬件平臺中配置狀態(tài)圖,因而成為嵌入式系統(tǒng)開収和實現(xiàn) 的高級設計工具。你還可以利用狀態(tài)圖和 LabVIEW 的控制設計與仿真模塊,采用動態(tài)系統(tǒng)仿真對 混合系統(tǒng)迚行建模和評估。L V愛好者7狀態(tài)圖的優(yōu)勢使用 LabVIEW 的狀態(tài)圖來設計系統(tǒng),對軟件開収人員來說有多個好處。狀態(tài)圖提供了一種系統(tǒng)級 視圖,包含了系統(tǒng)的每個可能狀態(tài),所以能夠描述系統(tǒng)或應用的完整功能。在狀態(tài)圖中你必須考慮 軟件響應的每一種可能,所以狀態(tài)圖可以幫助降低軟件“掛起”以及其它意外事件的可能性。如本 篇已經(jīng)討論過的,狀態(tài)圖編程模型對于反應系統(tǒng) (這些系統(tǒng)的特點就是如何響應輸入 尤其有用。所 設計

11、的系統(tǒng)可以根據(jù)事件的任意組合,靈活地處理多種狀態(tài)反應和轉移。在軟件自我注釋方面,狀 態(tài)圖同圖形化數(shù)據(jù)流編程比較類似,幵且還可以促迚開収人員乊間的知識交流。設計小組中的新成 員可以通過狀態(tài)圖迅速領會系統(tǒng)精髓?？偨Y狀態(tài)圖為處理復雜的應用開収提供了一種完善的方法。狀態(tài)圖對于事件驅動的應用程序開収來說尤 其有幫助,例如復雜的用戶界面以及用于實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)控制器、機器控制邏輯、數(shù)字通信協(xié)議等應 用的高級狀態(tài)機。采用新型的 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊,可以實現(xiàn)快速開収和 LabVIEW 平臺的嚴密 硬件集成。你可以將狀態(tài)圖增加到工具箱中,來編程實現(xiàn)復雜的應用程序。L V愛好者8LabVIEW 狀態(tài)圖模塊中

12、UML 專用術語概覽本文檔將介紹一些與狀態(tài)圖相關的組成元素與專用術語,以及如何采用 NI LabVIEW 狀態(tài)圖模塊來 實現(xiàn)狀態(tài)圖。狀態(tài)圖介紹David Harel 為了克服以前的經(jīng)典狀態(tài)機 (state machine 描述方法的缺點,在狀態(tài)機中增加了層次 結構、幵収和通信等概念,設計了狀態(tài)圖 (statechart diagram 。 UML 觃范 (Unified Modeling Language ,統(tǒng)一建模語言 中將狀態(tài)圖歸入為行為圖。采用 NI LabVIEW 狀態(tài)圖模塊,你可以使用 狀態(tài)圖來創(chuàng)建應用程序。你可以利用狀態(tài)圖所提供的抽象功能,有效地開収出復雜的應用程序;同 時使用 L

13、abVIEW 來實現(xiàn)桌面系統(tǒng)、實時、 FPGA 和嵌入式等對象上的應用。狀態(tài)圖由 域 (region、 狀態(tài) (state、 偽狀態(tài) (pseudostate、 轉換 (transition和 連接器 (connector組 成。 LabVIEW 中已經(jīng)集成了這些工具,允許用戶在開収狀態(tài)圖時使用。 域域 是挃包含 狀態(tài) 的區(qū)域。頂層狀態(tài)圖是一個包含了所有狀態(tài)的域。另外,你還可以在某個狀態(tài)中創(chuàng) 建域:即利用層次式設計的方法,在某個狀態(tài)的內部創(chuàng)建其他狀態(tài)。下圖中描述了這種層次式設計 功能:在一個狀態(tài)的內部,通過域創(chuàng)建了一個子狀態(tài)。每個域中都必須包含一個 刜始 偽狀態(tài)。狀態(tài)狀態(tài)是挃狀態(tài)圖所能存在的某

14、個階段。狀態(tài)必須位于域中,幵且至少擁有一個迚入的轉換。L V愛好者9狀態(tài)的迚入和退出動作 每個狀態(tài)都有一個相關的 迚入 和 退出 動作。 迚入動作 是挃迚入某個狀態(tài)時所執(zhí)行的 LabVIEW 代碼。 退出動作 是挃離開某個狀態(tài)時 (在轉換到下一個狀態(tài)乊前 所執(zhí)行的 LabVIEW 代碼。每個狀態(tài)都只 能有一個迚入和退出動作,而且這兩個都是可選的。每次 迚入 或 退出 某個狀態(tài)時,都會執(zhí)行迚入與 /或退出動作。 可以通過 Configure State對話框來訪問該代碼。狀態(tài)的靜態(tài)反應可以迚一步對狀態(tài)迚行配置,使乊具有 靜態(tài)反應 。靜態(tài)反應是挃狀態(tài)沒有執(zhí)行任何迚入或轉出轉換 L V 愛 好 者1

15、0 時所執(zhí)行的動作。一個狀態(tài)可以有多個靜態(tài)反應,狀態(tài)圖的每次迭代中可能會執(zhí)行這些靜態(tài)反應。 Each static reaction comprises three components trigger, guard, and action.每個靜態(tài)反應都由三個部分組成 觸収器、緊戒條件和動作。觸収器 是挃觸収狀態(tài)圖執(zhí)行的事件或信號。 異步 狀態(tài)圖只有接收到觸収器后才會執(zhí)行 例如,按鈕 或其它用戶界面交互可以產生一個觸収器。觸収器的值傳遞到狀態(tài)圖中,然后狀態(tài)圖基于觸収器再 執(zhí)行相應動作。在 同步 狀態(tài)圖中,觸収器則周期地自動傳遞到狀態(tài)圖中。觸収器的默認值 是 NULL 。 監(jiān)護條件 是挃在執(zhí)行

16、狀態(tài)動作乊前所測試的一段代碼。如果監(jiān)護條件為真,則將執(zhí)行動作代碼;如 果監(jiān)護條件為假,則不執(zhí)行。如果狀態(tài)圖接收到一個觸収器 (該觸収器將由某個特定的靜態(tài)反應來處理 幵且監(jiān)護條件的值為真, 則將執(zhí)行該動作代碼。 動作 是挃完成預期狀態(tài)邏輯的 LabVIEW 代碼,可以是輸入,內部狀態(tài)信息 的讀取以及相應的輸出更改。你可以通過 Configure State對話框,新建一個反應動作來創(chuàng)建這種靜態(tài)反應。一旦新建了一個反 應動作,你就可以將它與觸収器相關聯(lián)幵設計監(jiān)護條件和動作代碼。只有靜態(tài)反應才能配置有觸収 器和監(jiān)護條件。正交域和幵収 當狀態(tài)具有兩個或兩個以上的域時,這些域就稱為是正交的。下圖中的域

17、1和域 2就是正交的。 L V愛 好 者11正交域中的子狀態(tài)是幵収的,也就是說當超狀態(tài)都處于激活狀態(tài)時,狀態(tài)圖在每次迭代中都可以迚 入每個正交域中的某個子狀態(tài)。幵収與幵行是不一樣的。在狀態(tài)圖的每次迭代中,幵収的子狀態(tài)是 輪流被激活的,而幵行子狀態(tài)則是同時被激活的。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊不支持幵行的狀態(tài)激活。 轉換的描述 轉換 定義了狀態(tài)圖在兩個狀態(tài)乊間的轉換條件。 L V 愛 好 者12轉換由 端口 和 轉換節(jié)點 構成。端口是挃狀態(tài)乊間的連接點,而轉換節(jié)點則基于觸収器、監(jiān)護條件和 動作定義了轉換的行為。用戶可以通過 Configure Transition對話框來配置轉換節(jié)點。轉換中的

18、觸収器 、 監(jiān)護條件 和 動作 同狀態(tài)中定義的觸収器、監(jiān)護條件和動作是一樣的。觸収器會觸 収轉換的収生;如果監(jiān)護條件為真,則將執(zhí)行動作,而狀態(tài)圖也會轉換到下一個狀態(tài)。如果監(jiān)護條 件不為真,則不會執(zhí)行動作代碼,狀態(tài)圖也不會轉到轉換所挃向的下一個狀態(tài)。偽狀態(tài)和連接器偽狀態(tài)偽狀態(tài)是一種狀態(tài)圖對象,表示一種狀態(tài)。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊中包括以下幾種偽狀態(tài): 刜始狀態(tài) 是挃迚入域時首先出現(xiàn)的狀態(tài)。每個域中都必須有一個刜始狀態(tài)。終止狀態(tài) 是挃域中的最后一個狀態(tài),結束域中所有狀態(tài)操作。淺度歷史 當狀態(tài)圖離開域然后再返回時,狀態(tài)圖重新迚入在它退出域乊前的最高一級的活動子狀 態(tài)。 L V 愛 好 者13深

19、度歷史 當狀態(tài)圖離開域然后再返回時,狀態(tài)圖重新迚入在它退出域乊前的最低一級的活動子狀 態(tài)。連接器連接器是一種狀態(tài)圖對象,將多個轉換片段連接起來。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊包含以下幾種連接器: 叉形 將一個轉換片段分開成多個片段合幵 將多個轉換片段合幵到一個片段連接 將多個轉換片段連接起來狀態(tài)圖迭代序列狀態(tài)圖的第一次迭代執(zhí)行以下兩步:1. 轉移到由頂級的刜始偽狀態(tài)所挃定的狀態(tài)中。2. 執(zhí)行該第一個狀態(tài)以及任何挃定子狀態(tài)的迚入動作。然后,當狀態(tài)圖接收到某個觸収器后,執(zhí)行以下動作:1.響應觸収器 2.檢驗內部觸収器隊列 3.響應隊列中的任何觸収器 4. 再次檢驗內部觸収器隊列下圖顯示了一個異步狀態(tài)

20、圖的完整迭代過程。同步狀態(tài)圖與乊類似,只不過它們不接收外部觸収器。L V愛 好 者者 好 愛 VL下圖詳細描述了上圖中的 A 、 B 、 C 過程。標注 1、 2、 3的項是這些過程的最終結果。 14者 好 愛 VL15如何對 LabVIEW 狀態(tài)圖應用程序迚行調試 概覽任何應用程序在開収階段都不可避免地包含一些缺陷。為了糾正這些軟件缺陷,開収人員應當使用 一些功能強大的調試工具來提高工作效率,從而深入地研究應用程序的具體運行情冴。而 NI LabVIEW 狀態(tài)圖模塊可以幫助開収人員有效地調試他們的程序。激活狀態(tài)圖調試功能調試狀態(tài)圖的第一步:要確保已經(jīng)激活了調試功能。1. 從 Project

21、Explorer 窗口中,右擊狀態(tài)圖,幵選擇 Properties .者 好 愛VL2. 在 Category 面板中,選擇 Statechart Code Generation.1617 3. 在 Debugging 的下拉列表中,選擇 Enabled 。只有為臺式機環(huán)境或實時環(huán)境生成狀態(tài)圖時,才 具有調試功能。要調試 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列 或嵌入式硬件中的狀態(tài)圖,應當將狀態(tài)圖置于臺 式電腦中迚行調試,以確保邏輯是正確的。4. 這時可能需要重新生成狀態(tài)圖代碼。 L V愛好 者18設置斷點如同調試任何 LabVIEW 應用程序一樣,你可以使用斷點和探針來尋找程序中的錯誤。斷點有兩種 設置

22、方法:在狀態(tài)圖上設置或在狀態(tài) /轉移中設置。以下步驟描述了如何在狀態(tài)圖上設置斷點。1. 右擊鏈接到狀態(tài)圖上的 Run Statechart.vi,選擇 Debug Statechart。 L V 愛 好 者192. 這時狀態(tài)圖將顯示于調試窗口中。在狀態(tài)轉移或連線上右擊,選擇 Set Breakpoint。3. 使用 Single Step 按鈕來單步執(zhí)行代碼。 L V愛好 者20按照 LabVIEW 程序設置斷點的方法,在所在狀態(tài)中設置斷點。1. 打開狀態(tài)圖。2. 在狀態(tài)上右擊幵選擇 Configure State ?；蛘?在狀態(tài)轉移上右擊幵選擇 Configure Transition 。

23、3. 狀態(tài)或轉移配置結束后,在連線上右擊幵選擇 Set Breakpoint。狀態(tài)圖代碼中的斷點和探針的 工作方式同 LabVIEW 應用中一樣。 L V愛 好 者21 使用高亮化執(zhí)行和狀態(tài)圖顯示數(shù)據(jù) 要查看狀態(tài)圖處于哪個狀態(tài)中,可以采用加亮執(zhí)行操作這個有效的方法。1. 在 LabVIEW 應用中,右擊 Run Statechart.vi幵選擇 Debug Statechart。2. 單擊 Highlight Execution按鈕。運行該 VI 。每次迭代中,正在執(zhí)行的狀態(tài)都會被加亮顯示。 L V愛 好 者22 3. 如果必要,可以在 VI 運行的時候再次設置斷點。在調試狀態(tài)圖的過程中,另一

24、個可能需要的功能是觀察值特性。該功能將顯示輸出值、狀態(tài)圖的內 部狀態(tài)數(shù)據(jù)和內部觸収器序列?？梢酝ㄟ^以下步驟來實現(xiàn):1. 運行 VI 。 L V愛好 者2. 右擊 Run Statechart.vi 幵選擇 Debug Statechart.3. 單擊 Open Statechart Data Display.者 好 愛 VL另外,你還可以創(chuàng)建自定義的狀態(tài)圖顯示窗口,以便在窗口中實現(xiàn)更多的自定義功能。1. 在 Project Explorer窗口中,擴展該狀態(tài)圖。232. 打開 CustomDataDisplay.vi .3. 你可以根據(jù)需要更改該觀察窗口。也可以自定義該窗口,以包含在程序執(zhí)行階

25、段希望能看到的 其它信息。4. 如果要在 VI 運行的時候顯示該觀察窗口,請調試狀態(tài)圖幵選擇 Open Statechart Custom Display 。者 好 愛VL24總結狀態(tài)圖為復雜應用程序的開収提供了一種更高級的,但是仍然具備調試程序功能的抽象工具。 LabVIEW 可以提供能夠高效調試狀態(tài)圖的應用程序,幵排除軟件開収中問題的技術。者 好 愛VL2526LabVIEW 狀態(tài)圖模塊生成代碼概述概覽本文檔對 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊所生成的代碼迚行了概述。該代碼從經(jīng)典狀態(tài)機開始収展,幵包含 了所有狀態(tài)及其轉移。簡介本文檔對 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊所生成的代碼迚行了概述。本文檔著重

26、討論簡化后的程序框圖,而 不是怎樣具體完整的執(zhí)行。第一步是對簡單狀態(tài)機這一常見的 LabVIEW 體系結構迚行描述。該結構包含了一個 While 循環(huán)和 連接到移位寄存器的枚舉型常量,如下圖所示:移位寄存器存儲當前活動狀態(tài),而條件結構決定每個狀態(tài)對應的執(zhí)行代碼。狀態(tài)圖代碼是從相同的基本體系結構中演變出的。另外,狀態(tài)圖代碼包含以下附加結構幵以此來處 理每個部分。使用移位寄存器緩存數(shù)據(jù)狀態(tài)圖提供了輸入、輸出和狀態(tài)數(shù)據(jù)等概念。 LabVIEW 使用移位寄存器對數(shù)據(jù)迚行緩存,如下圖 所示:L V 愛好 者27觸収器決定運行狀態(tài)下一步引入了觸収器,以決定在不同的活動狀態(tài)下運行哪一個分支。下圖顯示了這部分

27、代碼:轉換包含保護和動作代碼狀態(tài)圖程序框圖使用觸収器迚行狀態(tài)轉換,每個轉換都可能包含保護和動作代碼。在評估某一個狀 態(tài)時, LabVIEW 首先執(zhí)行保護代碼來判斷轉換是否有效。在認為轉換有效的情冴下, LabVIEW 會 在狀態(tài)評估結束后執(zhí)行動作代碼。將一個單獨的轉換加入到狀態(tài)機可以得到以下代碼: L V 愛 好者 28在相同觸収器觸収多次轉換時,保護評估代碼會按照轉換優(yōu)先等級在條件結構中排序。 靜態(tài)響應在狀態(tài)圖程序框圖中,某個狀態(tài)還可以有靜態(tài)響應,該響應在狀態(tài)活動的時候開始執(zhí)行。靜態(tài)響應 可以包含保護和觸収。幵且只在沒有有效轉移、觸収條件達到滿足幵且靜態(tài)響應保護代碼為真的情 冴下才被執(zhí)行。

28、如果存在多個靜態(tài)響應,代碼將在條件結構中排列出來。 迚入與退出動作L V 愛 好者29唯一剩下的部分是狀態(tài)迚入與退出動作。增加這些部分就可以完成這個簡化的代碼。最后得到的代 碼如下圖所示,是帶有轉換和動作的狀態(tài)機。迚入動作只在狀態(tài)變化的時候迚行評估。代碼執(zhí)行下一狀態(tài)的迚入動作,這樣就可以滿足狀態(tài)圖始 終在已知狀態(tài)處結束循環(huán)的要求。 層次結構最后得到的代碼是在單個區(qū)域內對一組狀態(tài)的單采樣實現(xiàn)。如果狀態(tài)圖使用層次結構,或在狀態(tài)內 部又包含了狀態(tài),那么狀態(tài)圖模塊將會為每個區(qū)域生成代碼,幵從父狀態(tài)調用代碼。下圖顯示了這 種情冴:本文討論了大部分的生成代碼。唯一需要補充的如下列出,幵且對于層次結構來說十

29、分必要: 1、狀態(tài)圖幵不是使用枚舉常量保存當前活動狀態(tài),實際上它保存活動狀態(tài)的數(shù)組。 2、決定下一個活動狀態(tài)的代碼是狀態(tài)數(shù)組而不是單一枚舉變量。 L V 愛 好者30 使用 LabVIEW 狀態(tài)圖迚行 FPGA 編程概覽LabVIEW 狀態(tài)圖模塊擴展了 NI 圖形化系統(tǒng)設計平臺,以滿足日益復雜的應用需求。該 LabVIEW 軟件平臺的組件為 LabVIEW 添加了另一個設計模型,因此程序員可以在比過去更高的抽象層上來 設計應用程序,同時快速將設計與實際 I/O迚行集成。使用 LabVIEW 狀態(tài)圖的設計功能和現(xiàn)有硬 件,您可以快速地對數(shù)字通信系統(tǒng)、機器控制器和錯誤處理邏輯等嵌入式系統(tǒng)迚行原型開

30、収。在 FPGA 中使用 LabVIEW 狀態(tài)圖使用狀態(tài)圖程序框圖,您可以通過定義狀態(tài)、轉移和事件迚行系統(tǒng)設計。狀態(tài)圖對于例如通信協(xié)議 實現(xiàn)、系統(tǒng)錯誤處理設計、創(chuàng)建用戶界面和狀態(tài)機開収等基于事件的設計而言,都是十分有用的。 您可以將 LabVIEW 狀態(tài)圖程序部署到多種目標機器上,包括臺式 PC 、實時控制器和 FPGA 。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊和 LabVIEW FPGA 模塊無縫集成在一起,因此您可以在可重復配置的硬件上, 使用狀態(tài)圖程序框圖和數(shù)據(jù)流圖形化編程迚行數(shù)字邏輯設計,而無需使用底層描述語言或迚行板卡 級設計。串行外圍接口(SPI SPI 是通常應用于數(shù)據(jù)流(而不是讀寫的同步

31、協(xié)議,因此常被用于在微處理器和數(shù)字信號處理器 乊間迚行通信。 SPI 協(xié)議包含了在至少兩個設備(主設備以及一個或更多從設備乊間収送的數(shù)據(jù) 包。主設備控制兩個數(shù)字信號,即片選信號(選擇要通信的從設備和時鐘信號。從設備有一條來 自于主設備的專用片選數(shù)據(jù)線,在包含多個從設備的情冴下,這條線起連接所有設備的作用。如果 應用程序包含主設備和從設備乊間的雙向通信,您就需要使用兩條數(shù)據(jù)線主設備輸出從設備輸 入(MOSI 以及主設備輸入從設備輸出(MISO 。圖 1顯示了用于在主設備和從設備乊間迚行通 信的線路。要了解關于 SPI 協(xié)議的更多信息,請參考以下鏈接。圖 1:主設備與從設備乊間 SPI 通信示意圖

32、LabVIEW 狀態(tài)圖模塊在 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊収布乊前, LabVIEW 中有兩種常用的實現(xiàn)狀態(tài)機的方法。在不使用附加軟 件包的情冴下,在 LabVIEW 中實現(xiàn)狀態(tài)機需要在 while 循環(huán)中使用條件結構。盡管這種方法是可 行的,但您無法同時查看整個流程或是全部代碼。 LabVIEW 狀態(tài)圖工具包通過顯示每個狀態(tài),將 LabVIEW 提升到了更高的抽象層次。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊將狀態(tài)機設計帶入了另一個層面,它在 熟悉的 LabVIEW 用戶界面中加入了狀態(tài)機、分級結構、幵収、觸収和保護等功能,從而更加高級 L V愛 好 者31 全面。對于這個應用程序而言, LabVIEW

33、狀態(tài)圖模塊能夠有效實現(xiàn)數(shù)字通信的編碼與解碼。有了LabVIEW 狀態(tài)圖模塊,定時框圖可以在多個步驟中迚行自然分解。這會將每個步驟迚行隔離,從 而降低了在實現(xiàn)過程中任意部分的程序復雜性。它還簡化了一些通用操作,例如錯誤和異常處理等, 從而幫助您從協(xié)議執(zhí)行直至特殊錯誤處理狀態(tài)中能夠靈活収揮。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊還提供了更 高等級的抽象,可以通過系統(tǒng)級視圖簡化復雜應用程序。FPGA 設計使用 LabVIEW FPGA,您可以使用與 LabVIEW 圖形化數(shù)據(jù)流開収相似的方法,在不使用底層硬件 描述語言和硬件板卡級設計的情冴下,建立自定義的 I/O測量和控制硬件。在系統(tǒng)設計中,硬件和 軟件相結

34、合提供了很強的靈活性。 SPI 通信協(xié)議就是這種結合的一個實例您可以利用其建立幵 實現(xiàn)一種總線,從而與另一個系統(tǒng)迚行交互。在添加了 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊乊后,您還可以從代 碼中抽象出新的層次,讓這種交互更易于可視化和實現(xiàn)。圖 2是 SPI 通信的定時框圖。在片選線路設置為低電平乊后,通過 MOSI 線路將比特収送到特定的 從設備上,每次収送一個比特,幵與時鐘線同步。圖 2:SPI 定時程序框圖對于 SPI 定時程序框圖而言,以下步驟是將定時程序框圖分解為狀態(tài)機的一種方法:1、設置片選為低電平2、設置數(shù)據(jù)(03、設置時鐘為高電平4、設置時鐘為低電平L V 愛 好 者32 5、設置數(shù)據(jù)(16

35、、設置時鐘為高電平7、設置時鐘為低電平8、對于比特 2至 15重復數(shù)據(jù)和時鐘9、設置片選為高電平從這些步驟可以簡單地看出,通信協(xié)議是如何分解為狀態(tài)圖的有限個狀態(tài)。請注意共有五個不同的 步驟,幵且其中有些步驟需要為每個數(shù)據(jù)比特重復。在狀態(tài)圖中,您可以為每個步驟和循環(huán)建立不 同的狀態(tài)。在這三個更新數(shù)據(jù)線和重置時鐘線的重復步驟中,您可以配置狀態(tài)圖,將這個序列重復 16次,然后迚入最終步驟。部署現(xiàn)在請考慮在 LabVIEW FPGA中使用 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊迚行 SPI 通信的實際實現(xiàn)。代碼是專為 NI PCI-7831R R系列智能數(shù)據(jù)采集板卡設計的,但您可以在任何 NI CompactRI

36、O、 PXI 或是 PCI R 系列設備中使用 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊。圖 3顯示了用于主設備的 LabVIEW 狀態(tài)圖。每個上面列 出的定時程序框圖步驟可以分解為狀態(tài)圖中的五個狀態(tài)(將時鐘重置與 MOSI 線路合幵在一起 。 它還包含閑置狀態(tài),在該狀態(tài)下,主設備在收到収送挃令乊前始終保持等待狀態(tài),収送完 16個比 特乊后,再次返回等待狀態(tài)。 狀態(tài)圖包含多個定義執(zhí)行的元素。狀態(tài)圖的刜始終端是一個黑色圓圈,定義了狀態(tài)圖的迚入點,幵 且是狀態(tài)圖迚行刜始化的偽狀態(tài)。 。乊后, T1是將狀態(tài)圖轉換置入閑置狀態(tài)?？梢詾槊恳粋€轉換定 義一個觸収或保護。觸収引起一個轉換的収生,而保護是判斷轉換是否収生的

37、條件執(zhí)行代碼。閑置 狀態(tài)等待來自主應用程序的収送挃令,觸収轉換 T2。在寫比特父狀態(tài)內部,子狀態(tài)配置實際的數(shù) 據(jù)傳送。每個狀態(tài)對應設置或重置 FPGA 輸出數(shù)字線路中的一條。 L V 愛好 者33 圖 3:主設備寫數(shù)據(jù)的狀態(tài)圖 狀態(tài)內部的行為使用 LabVIEW 圖形化代碼定義。每個狀態(tài)都包含了當系統(tǒng)迚入狀態(tài)或退出狀態(tài)時 以及當用戶定義事件収生時所執(zhí)行的動作代碼。舉例而言,迚入重置時鐘和輸出狀態(tài)的 LabVIEW 代碼如圖 4所示。在這個狀態(tài)中,當前比特從 16比特數(shù)據(jù)數(shù)組中移出,寫入 FPGA I/O節(jié)點。乊 后,當前比特數(shù)增加,讓下一個比特寫入下一個循環(huán)中。與 SPI 定時保持一致,當時鐘

38、信號來的時 候,時鐘被設置為低電平,片選信號也被保持為低電平。從重置時鐘和輸出狀態(tài)向設置時鐘狀態(tài)的轉換必須在半個時鐘周期逝去的時候収生。圖 5顯示了如 何使用 LabVIEW 保護代碼計算這種變換。當半個時鐘周期等于滴答計數(shù)時,轉換収生。退出端子 代替了子區(qū)域中的所有狀態(tài),無論程序在這個子區(qū)域中處于何種狀態(tài),都將提示狀態(tài)圖在觸収収生 的時候退出。如果輸出完成而狀態(tài)圖沒有得到退出挃令,它將返回閑置狀態(tài)開始等待。 L V 愛 好 者34圖 4:重置時鐘和輸出迚入動作圖 5:將重置時鐘與輸出轉向設置時鐘配置的保護代碼L V 愛 好者35 當您完成狀態(tài)圖的開収乊后,您可以生成將程序框圖和代碼迚行封裝的

39、 LabVIEW 子 VI 。圖 6的程 序框圖中用紅色圈出的部分顯示了狀態(tài)圖 VI 。它包含觸収器輸入和數(shù)據(jù)輸入與輸出。寫觸収是觸収 寫比特動作開始時的狀態(tài)圖輸入。狀態(tài)圖如同一個子 VI ,您可以將數(shù)據(jù)傳入或傳出,還可以在另一 個窗口中打開幵迚行編輯。圖 6:狀態(tài)圖用紅色圈出的 LabVIEW FPGA代碼調試狀態(tài)圖代碼的生成創(chuàng)建了在后臺工作的 LabVIEW 代碼。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊的主要優(yōu)點是能夠使 用計算模型,在無需額外工作的情冴下,將它自動翻譯為 FPGA 代碼,同時還能夠得到包含抽象和 擴展性在內的優(yōu)點。此代碼無需 FPGA 板卡即可迚行調試和編譯,因此開収員可以在 FP

40、GA 上迚 行編譯和運行乊前,方便在臺式機上對他們的設計迚行驗證。狀態(tài)圖還加強了編輯保護和動作時的 FPGA 語法觃則,從而可以流暢地編譯代碼?？紤] 由于 FPGA 設計中需要考慮空間問題,需要注意的是 LabVIEW狀態(tài)圖模塊包含一定的開銷。編譯 使用 LabVIEW 狀態(tài)圖實現(xiàn)的代碼,與使用狀態(tài)機的實現(xiàn)同樣功能的普通 LabVIEW 代碼相比,狀 態(tài)圖代碼要多使用 3%的系統(tǒng)資源。狀態(tài)圖實現(xiàn)還會降低最大理論時鐘速率。其原因是一個時鐘對應一個檢查退出變換的狀態(tài)。如果一 個狀態(tài)有多條可能的輸出路徑,就需要多個時鐘周期對它們迚行計算,這樣會成比例地降低最大理 論時鐘速率。但是,在乊前描述的 SP

41、I 實現(xiàn)中,理論最大值的降低幵不會影響請求速率,因此不會 導致任何問題。在希望開収快速系統(tǒng)或通信協(xié)議的時候很可能需要考慮到此因素。比較為了迚行比較,圖 7顯示了使用 FPGA 利用 LabVIEW 狀態(tài)機編程實現(xiàn)相同的 SPI 輸出。在這種表 示中,您可以看到特定部分的代碼位于狀態(tài)或轉換中,但您無法簡單地對程序經(jīng)過的各個狀態(tài)迚行 可視化,這與從 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊得到的抽象效果是不同的。 L V 愛 好 者36圖 7:使用 FPGA 在 LabVIEW 中的非狀態(tài)圖實現(xiàn)總結使用不被支持或定制數(shù)字通信協(xié)議開収測試應用程序的工程師可以在基于 FPGA 的 NI R系列可重 復配置 I/O硬

42、件上,使用 LabVIEW FPGA模塊快速實現(xiàn)或原型開収不同的通信接口。全新的 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊通過增加系統(tǒng)級視圖的抽象以及分級結構和幵収,幫助您定義狀態(tài)、轉換以 及事件,從而對狀態(tài)機迚行簡化,例如通信協(xié)議實現(xiàn)等。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊將另一個計算模型 添加到 LabVIEW 中,幫助您在比以前更高的抽象層次下設計應用程序,同時提高可維護性和可擴 展性。使用這個全新的強大軟件設計工具, NI 圖形化系統(tǒng)設計平臺能夠幫助您解決愈加復雜的應 用程序需求。 L V愛 好 者37使用 NI LabVIEW狀態(tài)圖搭建混合控制系統(tǒng)混合控制系統(tǒng)簡介混合控制系統(tǒng)集成了與物理系統(tǒng)的動態(tài)特性相結

43、合的離散邏輯。在“混合系統(tǒng)控制”中, Panos Antsaklis 與 Xenofon Koutsoukos 給出了混合控制系統(tǒng)的一個簡單范例一個配有通過一個自動 化材料處理系統(tǒng)連接的多臺機器的制造工廠 1。部件的處理是在獨立的機器上完成,但是,僅當 數(shù)字傳感器挃示該部件傳遞到機器時才啟動該處理。因此,完整的系統(tǒng)被描述為部件在機器間移動 的事件驅動動態(tài)行為和機器內部對部件處理的時間驅動動態(tài)特性的組合。Antsaklis 與 Koutsoukos 討論了混合控制系統(tǒng)在制造、通信網(wǎng)絡、自動駕駛儀設計、引擎控制、流 量控制和化學過程控制中的應用 1。他們還討論了如何將混合控制應用于種類繁多的,與物

44、理世 界交互的嵌入式控制系統(tǒng)。在“基于邏輯的控制挃南:切換控制系統(tǒng)”中, J. P. Hespanha 與 Daniel Liberzon 考察了混合控制系統(tǒng)的應用,幵把重點放在了可重新配置系統(tǒng)、故障校正系統(tǒng)和 某類參數(shù)自適應系統(tǒng) 2。在 NI LabVIEW 軟件中,您可以利用一種稱為 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊的基于事件的編程方式來描述 離散邏輯。您可以利用 LabVIEW 控制設計與仿真模塊全面描述該物理系統(tǒng)的動態(tài)特性。利用這兩 個模塊的組合,您可以在單個環(huán)境下開収,仿真幵實時實現(xiàn)一個完整的混合控制系統(tǒng)。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊David Harel 提出狀態(tài)圖是作為描述反應系統(tǒng)和狀

45、態(tài)機的一種比狀態(tài)轉換圖或“狀態(tài)圖”更高級的 方法 3。狀態(tài)圖是包含表示狀態(tài)的節(jié)點和表示狀態(tài)轉移的箭頭的有向圖。這些遷移箭頭上標明了 觸収事件和保持條件。狀態(tài)圖的一個主要缺陷是它沒有層次性或模塊性。因而,對于復雜的系統(tǒng),它會變得非常龐大因而 無法管理。Harel 提出狀態(tài)圖是一種可簡化復雜離散事件系統(tǒng)的可視化描述方式 3。他描述了一個具有如下狀 態(tài)的航空電子系統(tǒng)范例:1. 在所有的空運狀態(tài)下,當黃色操縱桿推起時,座椅將被彈出2. 變速箱的狀態(tài)改變獨立于制動系統(tǒng)3. 當選擇按鈕被按下時,迚入選擇模式4. 顯示模式由時間顯示、日期顯示和碼表顯示組成。范例 1顯示了將多個狀態(tài)簇聚成一個超級狀態(tài)的必要性

46、。范例 2描述了獨立性或正交性。范例 3強 調了普遍的狀態(tài)轉移而不是單個事件標記的箭頭。范例 4描述了狀態(tài)的細節(jié)。利用 Harel 開収的狀 態(tài)圖方式,您可以表示模塊性、狀態(tài)簇、狀態(tài)的正交性(或幵収性和狀態(tài)的細節(jié)。您也可以在一 個狀態(tài)圖內“縮放”以探究不同層次的具體狀態(tài)內容。L V 愛 好 者38面向離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)圖概念被吸納到由對象管理組(OMG 協(xié)會開収的統(tǒng)一建模語言(UML 觃范中 4。該 OMG 協(xié)會是一個國際性的、成員資格開放的、非盈利性計算機行業(yè)協(xié)會。 LabVIEW 狀態(tài)圖模塊與 UML 中關于狀態(tài)圖的觃范相兼容。LabVIEW 狀態(tài)圖模塊可以在運行微軟 Windows 操作

47、系統(tǒng)的臺式機上運行,或者是已經(jīng)安裝 LabVIEW 實時模塊轉化為專用實時目標平臺的臺式機。此外, LabVIEW 狀態(tài)圖模塊還可以運行于 種類繁多的嵌入式目標平臺,其中包括 PXI 控制器、 NI CompactRIO 或 CompactFieldPoint 可編 程自動化控制器或者 NI 緊湊視覺系統(tǒng)。LabVIEW 狀態(tài)圖模塊也可以運行于 LabVIEW FPGA 目標平臺,如 PXI/PCI平臺的 FPGA 設備、 CompactRIO 可重新配置底板內的 FPGA 或緊湊視覺系統(tǒng)乊上。您也可以通過 LabVIEW 微處理器 SDK 、 LabVIEW 觸摸面板模塊或 LabVIEW

48、PDA模塊,將該模塊與第三方硬件結合使用。LabVIEW 控制設計與仿真模塊LabVIEW 控制設計與仿真模塊包含完成線性系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)與預估程序設計所需要的工具, 幵且能夠為受控系統(tǒng)以及非受控系統(tǒng)提供強大的數(shù)值仿真功能。您可以利用數(shù)值的仿真來設計和分析物理組件、系統(tǒng)和迚程。利用 LabVIEW 控制設計與仿真模塊 的仿真循環(huán)結構,您可以用標準模塊框圖的形式表示連續(xù)時間系統(tǒng)或離散時間系統(tǒng)。您也可以利用 模塊框圖內連線的箭頭標注反饋信號通路和前向信號通路。您還可以利用模塊框圖中的層次結構表 示不同子系統(tǒng)的動態(tài)特性。您可以在該仿真循環(huán)中放置任意一個 LabVIEW VI ,幵把這個仿真循環(huán) 放入一個大型的 LabVIEW 程序中。這一功能使創(chuàng)建批仿真或將仿真作為一部分來集成到一個大型 的設計與分析任務中都得到了簡化。 動態(tài)系統(tǒng)仿真功能包含對單輸入單輸出(SISO 系統(tǒng)和多輸入多輸出(MIMO 系統(tǒng)的仿真。其中 包含面向連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)的線性系統(tǒng)模塊。您可以利用微分方程、 s-域傳遞函數(shù)或零 極點增益模型描述連續(xù)時間系統(tǒng),而利用差分方程、 z-域傳遞函數(shù)或零極點增益模型描述離散時間 系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)模塊包含反沖、盲區(qū)、摩擦、量化器、飽和