状态机编程入门
本文将编入《Arduino程序设计基础(第3版)》，转载请注明出处## 状态机编程
### 什么是状态机
有限状态机（finite state machine，简称状态机）是嵌入式开发中最重要，且最常用的编程模式之一。其设定了这样一种系统：
1. 系统具备数量有限的状态；
2. 在某一时刻，系统总是处于一种状态之下；
3. 系统的状态会根据某些事件或条件进行转换；
4. 每个状态下，系统都会执行相应的动作。
状态机的编程思想在之前的章节也有体现，如开关灯示例：
```
int buttonPin = 2;
int ledPin = 13;
boolean ledState=false;// 记录LED状态
void setup()
{
// 初始化I/O口
pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
pinMode(ledPin,OUTPUT);
}
void loop()
{
// 等待按键按下
while(digitalRead(buttonPin)==HIGH){}
// 当按键按下时，点亮或熄灭LED
if(ledState==true)
{
digitalWrite(ledPin,LOW);
ledState=!ledState;
}
else
{
digitalWrite(ledPin,HIGH);
ledState=!ledState;
}
delay(500);
}
```
在这个示例中，设备具备开和关两种状态，使用了一个布尔变量ledState存放当前状态，会根据当前状态进行对应的开关灯操作。
现在请思考，当设备具备更多状态时，应该如何扩展这个程序？如何让灯可以进入闪烁或呼吸的状态？
以现有的这个程序写法来说，很难，因为程序大部分时间都在等待按键状态的变化，处于` while(digitalRead(buttonPin)==HIGH)`这个循环中。
现在将以状态机的编程模式，重构该项目。在此过程中，即可学习到状态机编程的方法，体会到使用该模式的优势。
### 状态机编程方法
状态机编程基本分为如下几个步骤：
**1. 总结设备状态**
本项目中，设备具备两种状态，开灯状态和关灯状态。
为了之后能支持更多的状态，这里用一个int变量state记录其状态：
```
int state = 0; // 0:关灯状态 1:开灯状态
```
**2. 确定状态切换条件**
设备连接的按键每点击一次，就会切换一次开关状态，通过循环检测按键状态变化（按下按键到松开，电平从低电平变为高电平），确定按键是否被点击。这里创建一个状态检查函数`checkState`,将其放在loop循环中，不断地检测当前设备处于的状态。
```
int state = 0; // 0:关灯状态 1:开灯状态
boolean buttonLastState = HIGH;
void loop()
{
checkState();
}
void checkState()
{
boolean buttonCurrentState = digitalRead(buttonPin);
if (buttonLastState == LOW && buttonCurrentState == HIGH)
{
state++;
if (state > 1)
{
state = 0;
}
}
buttonLastState = buttonCurrentState;
}
```
**3. 确定状态对应的动作**
当设备会执行的动作有二：开灯和关灯，这里编写出对应的动作函数
```
// 开灯动作
void turnOn()
{
digitalWrite(ledPin, HIGH);
}
// 关灯动作
void turnOff()
{
digitalWrite(ledPin, LOW);
}
```
**4. 判断当前状态，并执行相应的动作：**
有了状态检查和对应的动作函数后，通过`switch`语句将两者联系起来，从而实现设备根据状态，执行对应的动作的功能。
```
void loop()
{
checkState();
switch (state)
{
case 0:
turnOff();
break;
case 1:
turnOn();
break;
default:
break;
}
}
```
使用状态机编程的完整开关灯程序如下：
```
int state = 0; // 0:关灯状态 1:开灯状态
int buttonPin = 8;
int ledPin = 9;
// 状态检查
boolean buttonLastState = HIGH;
void checkState()
{
boolean buttonCurrentState = digitalRead(buttonPin);
if (buttonLastState == LOW && buttonCurrentState == HIGH)
{
state++;
if (state > 1)
{
state = 0;
}
}
buttonLastState = buttonCurrentState;
}
// 开灯动作
void turnOn()
{
digitalWrite(ledPin, HIGH);
}
// 关灯动作
void turnOff()
{
digitalWrite(ledPin, LOW);
}
void setup()
{
pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
Serial.begin(115200);
}
void loop()
{
checkState();
switch (state)
{
case 0:
turnOff();
break;
case 1:
turnOn();
break;
default:
break;
}
}
```
### 扩展更多状态
状态机编程的最大优势，是能让程序逻辑更清晰，逻辑清晰也使得程序，具备了更好的扩展性。
例如，在这个框架基础上，给设备增加闪烁和呼吸两种状态：闪烁状态下，灯每隔1秒，切换一次开关状态；呼吸状态下，会呈现出呼吸灯效果。
增加状态后的完整程序如下：
```
int state = 0; // 0:关灯状态 1:开灯状态 2:闪烁状态3:呼吸状态
int buttonPin = 8;
int ledPin = 9;
void setup()
{
pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
Serial.begin(115200);
}
void loop()
{
checkState();
switch (state)
{
case 0:
turnOff();
break;
case 1:
turnOn();
break;
case 2:
blink();
break;
case 3:
fade();
break;
default:
break;
}
}
// 状态检查
boolean buttonLastState = HIGH;
void checkState()
{
boolean buttonCurrentState = digitalRead(buttonPin);
if (buttonLastState == LOW && buttonCurrentState == HIGH)
{
state++;
if (state > 3)
{
state = 0;
}
}
buttonLastState = buttonCurrentState;
}
// 开灯动作
void turnOn()
{
digitalWrite(ledPin, HIGH);
}
// 关灯动作
void turnOff()
{
digitalWrite(ledPin, LOW);
}
// 闪烁动作
unsigned long lastChangeTime=0;
void blink()
{
if(millis()-lastChangeTime>1000){
digitalWrite(ledPin, !digitalRead(ledPin));
lastChangeTime = millis();
}
}
// 呼吸动作
int brightness=0;
int fadeAmount=1;
void fade()
{
if(millis()-lastChangeTime>10){
analogWrite(ledPin, brightness);
Serial.println(brightness);
brightness = brightness + fadeAmount;
if (brightness <= 0 || brightness >= 255)
{
fadeAmount = -fadeAmount;
}
lastChangeTime = millis();
}
}
```
本示例中通过`checkState`函数获取当前设备的状态变化，然后通过`switch`语句判断设备状态，并执行对应的动作。
**状态机编程注意事项**
在基本掌握了状态机编程方法后，还应该了解如下事项：
状态机编程应该尽可能的提高MCU的使用效率，让系统能更积极的响应外部输入的变化，并即时做出相应的动作。
大部分MCU都不具备多个核心，其同一时刻，只能执行一条指令。如果使用delay进行延时，或使用之前例程中的`while(digitalRead(buttonPin)==HIGH)`一类的判断方式，将导致整个程序阻塞，影响此后的其他操作。
因此在状态机程序中，需避免进行耗时较长的操作，常见的解决办法是，通过millis多次读取时间，判断时间间隔是否达标，再执行对应的程序。除此以外，还可以使用硬件本身具备的中断功能，对条件参数的进行实时的改变。 总算等来了老兄的这个贴子，给力，赞！ 本帖最后由 iggy 于 2022-9-6 07:38 编辑
你好，我仿照帖子中的例程写了一个LED频闪程序，目前的问题是：按下并松开按键后，要等正在运行的动作函数运行完毕才能切换到另一个动作函数，写了中断貌似也不起作用，请问如何修改？
#include "Arduino.h"
#define LED 0
#define BUTTON 1
int state = 0;
boolean buttonLastState = HIGH;
void checkState()
{
boolean buttonCurrentState = digitalRead(BUTTON);
if (buttonLastState == LOW && buttonCurrentState == HIGH)
{
state++;
if (state > 1)
{
state = 0;
}
}
buttonLastState = buttonCurrentState;
}
void turnOff()
{
digitalWrite(LED, LOW);
}
void SOS()
{
// S
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(500000);
// O
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(400000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(400000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(400000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(500000);
// S
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(200000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(1300000);
}
void Strobe()
{
digitalWrite(LED, HIGH);
delayMicroseconds(20000);
digitalWrite(LED, LOW);
delayMicroseconds(5000000);
}
void setup()
{
pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
pinMode(LED, OUTPUT);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON), checkState, CHANGE);
}
void loop()
{
checkState();
switch (state)
{
case 0:
Strobe();
break;
case 1:
SOS();
break;
default:
break;
}
}
iggy 发表于 2022-9-5 11:34
你好，我仿照帖子中的例程写了一个LED频闪程序，目前的问题是：按下并松开按键后，要等正在运行的动作函数 ...
请认真阅读上面内容，写了为什么不能用delay
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