使用有限状态机在 Arduino 上的数字手表

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关于这个项目

你好，

我将向您展示如何使用 YAKINDU Statechart Tools 创建数字手表并在使用 LCD Keypad Shield 的 Arduino 上运行。

数字手表的原始模型取自大卫·哈雷尔 (David Harel)。他发表了一篇关于“状态机和状态图的传统形式主义的广泛扩展”的论文。

在这篇论文中，他以数字手表为例进行了研究。我以它为灵感，用 YAKINDU 状态图工具（一种用于创建状态机图形模型并用它生成 C/C++ 代码的工具）重建了手表，并在 Arduino 上让它恢复生机。

数字手表的工作原理

让我们首先定义数字手表应该如何工作。你还记得这些......让我们说......每个人在 90 年代都拥有的“超酷”数字手表？一个集成的秒表、不同的闹钟和它每整整一小时发出的恼人的哔哔声。如果没有，看看：90年代的数字手表。

所以基本上它是一个具有不同模式的可配置手表。主要是显示当前时间，但还有一些其他功能。作为输入，您有一个开/关 , 模式 和一个集合 按钮。此外，您可以打开和关闭灯。

使用模式 按钮，您可以区分模式并激活/禁用时钟功能：

• 显示时间（时钟）
• 显示日期（Date）
• 设置闹钟（闹钟 1、闹钟 2）
• 启用/禁用提示音（设置提示音）
• 使用秒表（Stop Watch）

在菜单中，您可以使用开/关 按钮来配置模式。 集合 按钮允许您设置时间 - 例如用于时钟或闹钟。秒表可以控制 - 启动和停止 - 通过使用开灯和关灯按钮。您也可以使用集成的计圈器。

此外，还有一个钟声响起，并集成了可控背光。第一步我没有将它们连接到 Arduino。

状态机

我不想详细解释这个例子。不是因为它太复杂，它只是有点太大了。我将尝试解释它如何工作的基本思想。通过查看模型或下载并模拟它，执行应该是不言自明的。状态机的某些部分在子区域中汇总，例如设置时间 地区。这样就可以保证状态机的可读性。

该模型分为两部分 - 图形和文本。在文本部分，将定义事件、变量等。在图形部分 - 状态图 - 指定了模型的逻辑执行。要创建满足指定行为的状态机，需要一些输入事件，可以在模型中使用：onoff , 设置 , 模式 , 轻 , 和 light_r. 在定义部分中使用了一个内部事件，它每 100 毫秒增加一次时间值：

每100毫秒/次+=1 

基于 100 毫秒的步长，当前时间将在 HH:MM:SS 中计算 格式：

display.first =(time / 36000) % 24;
display.second =(time / 600) % 60;
display.third =(time / 10) % 60;  

这些值将通过操作 updateLCD 连接到 LCD 显示器 每次调用状态机时：

display.updateLCD(display.first, display.second, display.third, display.text) 

状态机的基本执行已在数字手表的工作原理部分定义 .在该工具中，我使用了一些“特殊”建模元素，例如 CompositeState , 历史 , 子图 , ExitNodes, 等。详细说明可以在用户指南中找到。

LCD键盘屏蔽

LCD Keypad Shield 对于简单的项目来说非常酷，这些项目需要一个用于可视化的屏幕和一些按钮作为输入 - 一个典型的简单 HMI（人机界面）。 LCD Keypad Shield 包含五个用户按钮和另一个用于重置。五个按钮一起连接到 Arduino 的 A0 引脚。它们中的每一个都连接到一个分压器，可以区分按钮。

您可以使用analogRead(0) 来查找特定值，这当然会因制造商而异。这个简单的项目在 LCD 上显示当前值：

#include 
#include 

LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);

void setup() {
 lcd.begin(16, 2);
 lcd.setCursor(0,0);
 lcd.write("测量值");
}

void loop() {
 lcd.setCursor(0,1);
 lcd.print(" ");
 lcd. setCursor(0,1);
 lcd.print(analogRead(0));
 delay(200);
} 

这些是我的测量结果：

• 无：1023
• 选择：640
• 左：411
• 向下：257
• 向上：100
• 右：0

有了这些阈值，就可以读取按钮了：

#define NONE 0
#define SELECT 1
#define LEFT 2
#define DOWN 3
#define UP 4
#define RIGHT 5 

static int readButton() {
 int result =0;
 result =analogRead(0);
 if (result <50) {
 return RIGHT;
 }
 if (result <150) {
 return UP;
 }
 if (result <300) {
 return DOWN;
 }
 if (result <550) {
 return LEFT;
 }
 if (result <850) {
 return SELECT;
 }
 return NONE;
} 

连接状态机

状态机生成的C++代码提供了接口，必须实现这些接口才能控制状态机。第一步是将 in 事件与 Keypad Shield 的键连接起来。我已经展示了如何读取按钮，但是为了将它们连接到状态机，需要对按钮进行去抖动 - 否则事件将被多次引发，从而导致不可预测的行为。软件去抖动的概念并不新鲜。你可以看看Arduino文档。

在我的实现中，我检测到下降沿（释放按钮）。我读取按钮的值，等待 80 毫秒（使用 80 而不是 50 获得更好的结果），保存结果并读取新值。如果 oldResult 不是NONE （未按下），新结果为 NONE ，我知道，该按钮之前已按下，现在已释放。然后，我引发状态机的相应输入事件。

int oldState =NONE;
static void raiseEvents() {
 int buttonPressed =readButton();
 delay(80);
 oldState =buttonPressed;
 if (oldState !=NONE &&readButton() ==NONE) {
 switch (oldState) {
 case SELECT:{
 stateMachine->getSCI_Button()->raise_mode();
 break;
 }
 case LEFT:{
 stateMachine->getSCI_Button()->raise_set();
 break;
 }
 case DOWN:{
 stateMachine->getSCI_Button()->raise_light();
 break;
 }
 case UP:{
 stateMachine->getSCI_Button() ->raise_light_r();
 break;
 }
 case RIGHT:{
 stateMachine->getSCI_Button()->raise_onoff();
 break;
 }
 默认：{
 break;
 }
 }
 }
} 

将事物连接在一起

主程序使用三部分：

• 状态机
• 计时器
• 显示处理程序（典型的 lcd.print(...)）

DigitalWatch* stateMachine =new DigitalWatch();
CPPTimerInterface* timer_sct =new CPPTimerInterface();
DisplayHandler* displayHandler =new DisplayHandler(); 

状态机使用一个显示处理程序并获得一个计时器，该计时器将被更新以控制定时事件。之后，状态机被初始化并进入。

void setup() {
 stateMachine->setSCI_Display_OCB(displayHandler);
 stateMachine->setTimer(timer_sct);
 stateMachine->init();
 stateMachine->enter();
} 

循环做了三件事：

• 引发输入事件
• 计算经过的时间并更新计时器
• 调用状态机

long current_time =0;
long last_cycle_time =0;
void loop() {
 raiseEvents();
 last_cycle_time =current_time;
 current_time =millis();
 timer_sct->updateActiveTimer(stateMachine, 
 current_time - last_cycle_time);
 stateMachine->runCycle();
} 

获取示例

而已。可能我没有提到实现的每一个细节，但你可以看看例子或发表评论。

将示例添加到正在运行的 IDE 中：

文件 -> 新建 -> 示例 -> YAKINDU 状态图示例 -> 下一步 -> Arduino - 数字手表 (C++)

>> 您可以在此处下载 IDE <<

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