周莉娟,劉心剛,張志鵬
(中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院,江蘇 無(wú)錫 214000)
基于有限狀態(tài)機(jī)的雷達(dá)狀態(tài)模型建立
周莉娟,劉心剛,張志鵬
(中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院,江蘇 無(wú)錫 214000)
現(xiàn)代雷達(dá)具有功能多特點(diǎn)。針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)控制,采用傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法存在調(diào)試周期長(zhǎng),可移植性和可擴(kuò)展性差的特點(diǎn)。本文采用有限狀態(tài)機(jī)理論對(duì)雷達(dá)狀態(tài)進(jìn)行模型建立,根據(jù)狀態(tài)機(jī)理論,通過(guò)仿真建立相應(yīng)的狀態(tài)切換模型,工程實(shí)踐表明有限狀態(tài)機(jī)能較好的進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì),系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可移植性較好。
雷達(dá);系統(tǒng);狀態(tài);有限狀態(tài)機(jī)
隨著新體制雷達(dá)和系統(tǒng)的研制,新理論和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),雷達(dá)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段?,F(xiàn)代雷達(dá)具有狀態(tài)多,功能全,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層多的特點(diǎn)。在雷達(dá)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中,雷達(dá)狀態(tài)的管理是十分重要的內(nèi)容,它構(gòu)建了雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制的主體框架。雷達(dá)主控部分主要功能是將來(lái)自飛控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收分解并轉(zhuǎn)發(fā)給雷達(dá)相應(yīng)分機(jī)進(jìn)行控制,同時(shí)將各個(gè)分機(jī)狀態(tài)信息接收并提取出有用數(shù)據(jù)傳回主控軟件。傳統(tǒng)雷達(dá)主控系統(tǒng)管理主要采用流程圖設(shè)計(jì),調(diào)試過(guò)程繁瑣,系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差,采用有限狀態(tài)機(jī)可有效解決這一問(wèn)題。目前,有限狀態(tài)機(jī)在工作流定制,嵌入式TCP狀態(tài)機(jī),串口通信協(xié)議狀態(tài)機(jī)等方面展開(kāi)了運(yùn)用[1-5],有限狀態(tài)機(jī)還尚未應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制中。本文將有限狀態(tài)機(jī)首次應(yīng)用到雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制中,建立雷達(dá)狀態(tài)機(jī)模型,并運(yùn)用到工程實(shí)際中,以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)軟件控制。
有限狀態(tài)機(jī)(FSM,F(xiàn)inite State Machine)描述了有限個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型,由一組狀態(tài),一個(gè)初始狀態(tài),輸入并根據(jù)輸入及現(xiàn)有狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù),是不同狀態(tài)在事件控制下的變遷過(guò)程。狀態(tài)機(jī)具有四個(gè)要素:現(xiàn)態(tài)、條件(事件)、動(dòng)作、次態(tài)。
定義:狀態(tài)機(jī) M=(Q,Σ,δ,q0,F(xiàn))
其中,Q—狀態(tài)的非空有窮集合。?q∈Q,q稱為M的一個(gè)狀態(tài)。
Σ—輸入字母表。
δ—狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù),有時(shí)又叫做狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)或者移動(dòng)函數(shù),δ:Q×Σ→Q,δ(q,a)=p。
q0—M的開(kāi)始狀態(tài),也可叫做初始狀態(tài)或啟動(dòng)狀態(tài)。q0∈Q。
F—M的終止?fàn)顟B(tài)集合。F被Q包含。任給q∈F,q稱為M的終止?fàn)顟B(tài)。
有限狀態(tài)機(jī)分為兩種模型,一種是摩爾型(Moore)狀態(tài)機(jī),一種是米勒型(Mealy)狀態(tài)機(jī)。
1)Moore型狀態(tài)機(jī)。其特點(diǎn)是輸出與輸入無(wú)關(guān),輸出只依賴于當(dāng)前狀態(tài)。該狀態(tài)機(jī)的特點(diǎn)是輸出在時(shí)鐘跳變后的有限個(gè)門延遲后輸出穩(wěn)定值,輸出在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持不變,優(yōu)點(diǎn)是行為比較簡(jiǎn)單。
2)Mealy型狀態(tài)機(jī)。其特點(diǎn)是輸出在輸入變化后發(fā)生變化,輸出不僅依賴于狀態(tài)而且依賴于輸入,即當(dāng)前狀態(tài)與所有輸入信號(hào)的函數(shù)。該狀態(tài)機(jī)的特點(diǎn)是輸出在輸入變化后發(fā)生變化,輸入變化可能出現(xiàn)在時(shí)鐘周期內(nèi)的任何時(shí)候,對(duì)輸入的響應(yīng)比Moore機(jī)對(duì)輸入的響應(yīng)早一個(gè)時(shí)鐘周期,其優(yōu)點(diǎn)是狀態(tài)數(shù)目簡(jiǎn)單。
圖1 雷達(dá)系統(tǒng)框圖Fig.1 Radar system diagram
如圖1所示,雷達(dá)[6]主控系統(tǒng)是連接雷達(dá)與其他模塊的樞紐。雷達(dá)主控系統(tǒng)軟件接收航電飛控和導(dǎo)航信息,發(fā)送給信號(hào)處理和其他各個(gè)分機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行控制,同時(shí)接收各個(gè)分機(jī)的狀態(tài)信息。雷達(dá)主控發(fā)送給各個(gè)分機(jī)的信息依據(jù)雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)打包,雷達(dá)狀態(tài)構(gòu)建了雷達(dá)主體框架,因此首先對(duì)雷達(dá)狀態(tài)進(jìn)行劃分。
設(shè)計(jì)雷達(dá)狀態(tài)機(jī)[7]的主狀態(tài)為主狀態(tài)0(啟動(dòng)狀態(tài))、主狀態(tài)1、主狀態(tài)2、主狀態(tài)3、...主狀態(tài)N(自檢狀態(tài))。狀態(tài)信息來(lái)源于上位機(jī)或者雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部劃分。各個(gè)主狀態(tài)下有相應(yīng)的子狀態(tài)。為規(guī)范雷達(dá)狀態(tài)切換,約定:
1)子狀態(tài)只能和相應(yīng)主狀態(tài)下子狀態(tài)相互切換,或者返回相應(yīng)主狀態(tài)。
2)主狀態(tài)只能進(jìn)入該級(jí)下子狀態(tài)或者在主狀態(tài)間相互切換。
首先設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)框架,狀態(tài)機(jī)包含了三層結(jié)構(gòu),第一層是狀態(tài)機(jī),包括前一狀態(tài)ID、當(dāng)前狀態(tài)ID、缺省操作,狀態(tài)表(狀態(tài)結(jié)構(gòu))。第二層是狀態(tài)表,包括狀態(tài)ID、狀態(tài)名、進(jìn)入操作、退出操作、缺省操作、狀態(tài)事件表(狀態(tài)事件結(jié)構(gòu))。第三層是狀態(tài)事件結(jié)構(gòu),包括操作、事件、下一狀態(tài)ID。下圖所示為狀態(tài)機(jī)組成框圖。
圖2 狀態(tài)機(jī)組成框圖Fig.2 Finite state machine diagram
按照狀態(tài)機(jī)組成框圖,可將雷達(dá)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如下圖所示。雷達(dá)狀態(tài)機(jī)包括雷達(dá)控制事件ID、雷達(dá)當(dāng)前ID、缺省操作(default function)、雷達(dá)狀態(tài)表。其中雷達(dá)控制事件ID由航電系統(tǒng)分解得到,缺省操作為當(dāng)前狀態(tài)下雷達(dá)默認(rèn)的狀態(tài)處理,狀態(tài)表設(shè)計(jì)了雷達(dá)狀態(tài)切換的具體數(shù)據(jù)流的流向。
圖3 雷達(dá)狀態(tài)機(jī)框圖Fig.3 Radar finite state machine schematic diagram
在雷達(dá)狀態(tài)機(jī)設(shè)定過(guò)程中,首先給定雷達(dá)狀態(tài)的初始狀態(tài),結(jié)合雷達(dá)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)表,根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)劃分,編寫雷達(dá)狀態(tài)表。缺省操作中制定了雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)和下一狀態(tài)之間跳轉(zhuǎn)的條件,在缺省操作中,打包雷達(dá)相應(yīng)參數(shù)信息。該設(shè)計(jì)已運(yùn)用到工程實(shí)際中,在大型多功能雷達(dá)中體現(xiàn)出了優(yōu)越性。
根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)機(jī)框圖,設(shè)計(jì)雷達(dá)軟件流程圖如下。
圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart
程序設(shè)計(jì)軟件框架如下:
采用Matlab GUI對(duì)雷達(dá)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行仿真,如圖5所示。簡(jiǎn)化模型中雷達(dá)狀態(tài)控制字為狀態(tài)1,狀態(tài)2,狀態(tài)3,返回狀態(tài)字為狀態(tài) 1,狀態(tài) 2,狀態(tài) 3,且圖中未顯示狀態(tài)下子狀態(tài),在仿真模型下,點(diǎn)擊控制主狀態(tài)控制字1,通過(guò)狀態(tài)機(jī)運(yùn)行,狀態(tài)字1返回值有效??刂浦鳡顟B(tài)控制字可進(jìn)入該狀態(tài)控制下的子狀態(tài)控制字,同時(shí)可在多個(gè)主狀態(tài)控制字之間切換。在實(shí)際控制模型中,控制和狀態(tài)根據(jù)實(shí)際情況具有種類多的特點(diǎn),同時(shí)根據(jù)功能需求需添加更多功能,采用狀態(tài)機(jī)可實(shí)現(xiàn)控制和狀態(tài)的良好控制。
圖5 軟件流程圖Fig.5 Software interface diagram
文中研究了基于有限狀態(tài)機(jī)的雷達(dá)主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),并運(yùn)用到工程實(shí)際,將復(fù)雜的狀態(tài)變遷簡(jiǎn)單化,通過(guò)對(duì)整個(gè)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的合理設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。相比傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程,有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)具有功能可擴(kuò)展、層次結(jié)構(gòu)分明的特點(diǎn),降低了軟件設(shè)計(jì)流程的復(fù)雜度,大大提高了軟件重開(kāi)發(fā)和維護(hù)效率。
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Model design of radar state based on finite state machine
ZHOU Li-juan, LIU Xin-gang, ZHANG Zhi-peng
(AVIC Radar and Electronics Equipment Research Institute, Wuxi 214000, China)
Modern radar has characteristics of multiple functions.As traditional design methods was long-period debugging,as well as transferable and expansive unsatisfactorily.This paper establishes the radar state model based on finite state machine theory,simulation of state model is also established.Engineering application shows the radar system control design operates well and has preferable system expansibility and translatability.
radar; system; state; finite state machine
10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.16.011
TN701
A
1674-6236(2014)16-0035-03
2013-10-16 稿件編號(hào):201310098
周莉娟(1985—),女,江蘇無(wú)錫人,碩士,工程師。研究方向:雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。