MergedFile

Size: px

Start display at page:

Download "MergedFile"

航伏
3 years ago
Views:

1 模块 7 实验 7 : 有限状态机

7.0 目标本实验的目的是开发和测试用于机器人的有限状态机 1. 您将学习如何在 C 中使用结构体和指针 2. 您将了解如何使用 FSM 解决问题 3. 您将使用 FSM 实现简单的线路跟踪算法小知识 : 即使您将使用输入开关和输出 LED 实现本实验,FSM 设计过程也可用于机器人控制器该实验的解决方案将允许机器人遵循一条线 ( 黑色胶带 ) 7.1 入门 7.1.1 从下面的软件工程起步浏览以下 3 个工程 : TrafficFSM ( 有限状态机的例子 ) LineFollowFSM ( 实现循线的简单 FSM) Lab_FSM ( 本实验的入门项目 ) 7.

2 7.0 目标本实验的目的是开发和测试用于机器人的有限状态机 1. 您将学习如何在 C 中使用结构体和指针 2. 您将了解如何使用 FSM 解决问题 3. 您将使用 FSM 实现简单的线路跟踪算法小知识 : 即使您将使用输入开关和输出 LED 实现本实验,FSM 设计过程也可用于机器人控制器该实验的解决方案将允许机器人遵循一条线 ( 黑色胶带 ) 7.1 入门从下面的软件工程起步浏览以下 3 个工程 : TrafficFSM ( 有限状态机的例子 ) LineFollowFSM ( 实现循线的简单 FSM) Lab_FSM ( 本实验的入门项目 ) 本实验所需组件数量组件描述制造商型号学生资源 ( 链接 ) 1 MSP- EXP432P401R LaunchPad TI MSP-EXP432P401R Meet the MSP432 LaunchPad (SLAU596) MSP432 LaunchPad User s Guide (SLAU597) 所需实验设备阅读材料 Volume 1 Sections 6.1, 6.2, 6.4 and 6.5 Embedded Systems: Introduction to the MSP432 Microcontroller", or Volume 2 Section 3.5 Embedded Systems: Real-Time Interfacing to the MSP432 Microcontroller" 示波器 (1 个至少 10khz 采样的通道 ) 逻辑分析仪 (4 个至少 10kHz 采样的通道 ) 7.2 系统设计要求 Lab_FSM 起始项目实现了图 1 中所示的三态 FSM, 我们可以使用它来实现循线跟踪机器人每个状态等待的时间是 500ms 在真实的机器人上, 我们将这些延迟时间设置得更短, 具体取决于机械机器人对执行器命令的响应速度但是, 在本实验中, 选择 500 ms 以便于用眼睛轻松查看输出 2 Texas Instruments

3 图 1. 摩尔 FSM 状态图实现循线每个状态的时间以 1ms 为单位显示机器人有两个检测循线的传感器, 见图 2 如果机器人正确定位在线路上, 两个传感器都将读取 1 如果机器人向左或向右稍微偏离, 则一个传感器读取 1, 另一个传感器读取 0 如果机器人完全脱离线路, 两个传感器将读取 0 机器人有两个电机, 如图 2 所示两个电机和一个被动脚轮允许机器人以差速传动方式运行如果软件向两个电机输出高电平, 则机器人以直线向前移动如果软件只向一个电机输出高电平, 它将转向如果软件向两个电机输出低电平, 它将停止图 3. 扩展的 FSM 状态图每个状态的时间以 1 毫秒为单位显示 2) 您需要实现的第二个行为是当机器人完全离开线时会发生什么如果它偏离到线的右边 ( 在 Right1 或 Right2 中 input=0,0), 它应该努力持续 5 秒左转 (output=0,1), 然后笔直走 (output=1,1) 持续 5 秒如果此时它仍然偏离线, 它应该停止 (output=0,0) 如果找到该线, 应该恢复循线应该还需要三个状态去实现此行为同样的, 如果机器人偏离到线的左边 ( 在 Left1 或 Left2 中 input=0,0), 它应该努力持续 5 秒右转 (output=1,0), 然后笔直走 (output=1,1) 持续 5 秒如果此时它仍然偏离线, 它应该停止 (output=0,0) 如果找到该线, 应该恢复循线应该还需要三个状态去实现此行为图 2. 带两个线传感器和两个电机轮的机器人系统会要求您扩展此 FSM, 添加其他状态以实现以下行为 1) 如果机器人向左偏离一点 ( 输入为 01, 机器人在左边状态和中心状态之间摆动 ), 那么图 1 中的 FSM 会混淆 ( 有一个错误 ), 然后完全离开左边的线 ( 输入是 00) 在这台机器上, 如果当它离开线路时碰巧处于中心状态, 即使机器人向左移动, 它也会错误地移动到右边状态您将通过实现两个左侧状态来解决此问题 ( 因此当稍微离开时它会在两个左侧状态之间摆动 ) 为了对称, 你也将实现两个右边的状态图 3 显示了部分解决方案如果输入为 11, 则输出应保持为 11 如果输入转到 01( 它有点偏左 ), 则输出应切换 1,0 1,1 引起轻微右转同样的, 如果输入变为 10( 它有点偏右 ), 那么输出应该切换 0,1 1,1 引起轻微左转解决方案应该有大约 11 个状态 ( 图 3 中的 5 个状态, 右边 3 个状态, 左边 3 个状态 ) 只要你有 9 个或更多的状态, 随意做出假设或改变机器的确切行为该实验的目的是用状态转换图描述系统的完整行为, 然后使用非常简单的 FSM 控制器实现该行为 FSM 控制器应该没有条件分支状态说明 3 Texas Instruments

4 7.3 实验准备您将仅使用 MSP432 Launch Pad 实现此实验, 无需其它电路, 请参见图 4 Launch Pad 驱动程序软件将开关输入转换为正逻辑, 因此按下开关被视为 1, 见表 1 LED 输出为正逻辑, 见表 2 Serial JP4 MSP 432 P1.4 P1.1 P1.2/Rx D P1.3/T xd P2.0 P3.1/R T S P2.1 P3.4/CT S P2.2 P1.0 JP9 JP1 1 JP8 JP10 Blue Green EL LT ST -C19 0CKT 1.65V3.5m A 图 4. P1.4 是左传感器,P1.1 是右传感器,P2.1 是左电机,P2.0 是右电机 LaunchPad_Input 函数 ( 在 LaunchPad.c 中定义 ) 以正逻辑返回开关位置因此推动两个开关会产生 1,1 的输入条件函数 ( 在 LaunchPad.c 中定义 ) 将数据发送到 3 位彩色 LED Red SW1 SW2 SW2 SW1 LaunchPad_Input Meaning pressed pressed 1,1 = 0x03 On line pressed not 1,0 = 0x02 Right of line not pressed 0,1 = 0x01 Left of line not not 0,0 = 0x00 Off the line 表 1. 开关模拟循线传感器 P2.1 P2.0 LaunchPad_Output LED Meaning off off 0,0 = 0x00 black Stop off on 0,1 = 0x01 red Turn left on off 1,0 = 0x02 green Turn right on on 1,1 = 0x03 yellow Straight 表 2. LED 模拟机器人电机 7.4 实验步骤循线 FSM 第一步是编译, 下载并运行如下所示的 LineFollowFSM 示例使用调试器, 单步执行控制器 ( 跳过函数 ) 并观察输入, 输出和指针 Spt 请注意如何定义结构体以及如何使用指针访问结构体中的数据使用调试器, 确定 FSM 所在的内存位置 ( 是在 RAM 还是 ROM 中 )? 4 Texas Instruments

5 struct State { uint32_t out; // 2-bit output uint32_t delay; // time to delay in 1ms const struct State *next[4]; // Next if input is 0-3 }; typedef const struct State State_t; #define Center &fsm[0] #define Left &fsm[1] #define Right &fsm[2] StateType fsm[3]={ {0x03, 500, { Right, Left, Right, Center }}, {0x02, 500, { Left, Center, Right, Center }}, {0x01, 500, { Right, Left, Center, Center }} }; State_t *Spt; // pointer to the current state uint32_t Input; uint32_t Output; int main(void){ uint32_t heart=0; Clock_Init48MHz(); LaunchPad_Init(); TExaS_Init(LOGICANALYZER); // optional Spt = Center; while(1){ Output = Spt->out; // set output from FSM LaunchPad_Output(Output); // output to motors TExaS_Set(Input<<2 Output); // optional Clock_Delay1ms(Spt->delay); // wait Input = LaunchPad_Input(); // read sensors Spt = Spt->next[Input]; // next heart = heart^1; LaunchPad_LED(heart); // optional } } 在这个项目中, FSM 反复执行下面 4 步序列 : 1) Output depends on State (LaunchPad LED) 2) Wait depends on State 3) Input (LaunchPad buttons) 4) Next depends on (Input, State) 运行程序并观察静态行为 i) 填写表 3, 描述如果输入保持不变, 机器会做什么 SW2 SW1 Input Meaning Output behavior pressed pressed 1,1 On line pressed not 1,0 Right of line not pressed 0,1 Left of line 表 3. 简单 FSM 的静态响应表当仅按下一个开关时, 它表示机器人稍微离线的情况在这种情况下, 一个轮子处于活动状态, 另一个轮子振荡开关这种振动导致这个轮子转动, 但速度较慢如果 P2.1 为高, 则左轮转动为 100% 数字波的占空比定义为信号高的时间百分比如果 P2.0 上的占空比为 n =( 高 /( 高 + 低 )), 则右电机旋转 n * 100%, 机器人将平缓转动使用示波器或逻辑分析仪测量端口 P2.0 上的振荡速率和占空比见图 5 图 5. 显示右轮通道 0 振荡的逻辑分析仪轨迹为 1 Hz, 占空比为 50% Note: 通道 3-2 的 Input =1 (left sensor=0, right sensor =1), 显示状态为有点偏左通道 1-0 的 Output (left motor=1, right motor oscillating), 显示一个平缓的右转 5 Texas Instruments

6 最后, 您将观察此 FSM 中的问题 1) Start with both switches pressed (on the line); 2) Release SW2 (the robot is a little off to the left); then 3) Release SW1. 此时您完全偏离到线的左边了多次重复上面步骤序列, 您会发现它有时会正确结束在左边状态, 但有时它会错误结束在右边状态设计改进的 FSM 第二步是按照图 3.0 中要求部分的描述设计 FSM 只要您的机器有 9 个或更多状态, 随意调整机器的运行方式在本实验部分, 您将 : i) 绘制状态转换图 ii) 创建状态转换表, 并输入数据结构的 C 代码这三个应该是完全相同的信息 ( 不多也不少 ) 这种等效性被称为一对一, 它是良好 FSM 设计的重要特征如果图形与 C 中的数据结构一一对应, 那么我们可以确信系统按图中所描述的那样运行 iii) 您将使用节末尾所示的步骤序列测试您的系统但是, 只要在释放 SW1 之前释放 SW2 至少等待 500 毫秒, 那么你应该总是在左边的一个状态中结束 7.5 疑难解答无法编程 LaunchPad: 检查 LaunchPad 开发板上的电缆, 跳线检查 Windows 驱动程序以查看操作系统是否识别该板卡在此计算机上尝试其他 LaunchPad 在另一台计算机上尝试此 LaunchPad 严重故障 : 验证 Spt 总是指向 FSM 的一个条目时间延迟太慢或太快 : 验证计算机运行在 48 MHz 返回并确保模块 6GPIO 中的实验仍然有效至少执行此测试十次以验证其是否正常工作同样对于右侧状态, 1) Start with both switches pressed (on the line); 2) Release SW1 (the robot is a little off to the right); then 3) Release SW2 此时您完全偏离到线的右边了重复上面步骤 10 多次应该, 你应该总是结束在右边的某一种状态上使用逻辑分析仪测试系统的静态行为假设输入保持不变, 请填写表 4 有两个离开线路的条件 : 偏离左边, 偏离右边 SW2 SW1 Input Meaning Output behavior pressed pressed 1,1 On line pressed not 1,0 Right of line not pressed 0,1 Left of line not not 0,0 Off the line not not 0,0 Off the line 表 4. FSM 实验的静态响应表 6 Texas Instruments

7 7.6 请思考在这节中, 我们列出了完成本实验后要考虑的思考问题这些问题旨在测试您对本实验中概念的理解可以有两个具有相同输出的状态吗? 为什么? FSM 如何创建 50% 占空比输出方波? 改变什么让它变成 75%( 更平缓的转弯 )? 改变什么让它变成 25%( 急转弯 )? 重要的是, 状态转换图和 C 中的数据结构是一对一的一对一是什么意思并解释它是怎么一回事? 本实验使用以 LaunchPad_ 开头的四个函数中的 I / O 抽象头文件 LaunchPad.h 中有哪些信息? 代码文件 LaunchPad.c 中有什么? 这种抽象概念有什么好处? FSM 有 2 个输入如果有 3 个输入会有什么变化? 4 个输入呢? FSM 有 2 个输出如果有 3 个输出会有什么变化? 4 个输出呢? FSM 是如何测试的? 模块 8) 模块 9) 模块 10) 模块 12) 将实际开关和 LED 连接到微控制器这将允许更多的输入和输出增加系统的复杂性开发简单的 PWM 输出以调整占空比开发调试技术以证明复杂系统的行为将循线传感器和电机连接到机器人, 然后在实际的机器人上运行该实验的解决方案 7.9 您应该已经学会在这节中, 我们将回顾您应该在本单元中学到的重要概念 : 使用 struct 来组织数据使用指针访问数据在项目中使用多个文件来实现抽象设计一个简单的 FSM 绘制状态转换图将状态转换图转换为 C 语言的数据结构体使用逻辑分析仪测量输入 / 输出之间的时序调试 FSM 并验证其正确行为 7.7 其它挑战在这节中, 我们列出了您可以做的其它活动, 以进一步探索此模块的概念您可以扩展系统或提出完全不同的东西例如 : 使用实验 6 中接口的实际循线传感器替换开关输入如果使用循线传感器, 则可以将输入从 2 位扩展为 4 位使用 FSM 方法解决类似问题, 如交通信号灯控制器或步进电机控制器此 FSM 使用指针定义当前状态您可以使用索引来实现 FSM 以访问状态参数例如,Output = fsm[index].out; 7.8 接下来是哪些模块? FSM 是用于解决复杂系统的强大设计工具许多机器人挑战的有效解决方案将包括 FSM 7 Texas Instruments

8 IMPORTANT NOTICE FOR TI DESIGN INFORMATION AND RESOURCES Texas Instruments Incorporated ( TI ) technical, application or other design advice, services or information, including, but not limited to, reference designs and materials relating to evaluation modules, (collectively, TI Resources ) are intended to assist designers who are developing applications that incorporate TI products; by downloading, accessing or using any particular TI Resource in any way, you (individually or, if you are acting on behalf of a company, your company) agree to use it solely for this purpose and subject to the terms of this Notice. TI s provision of TI Resources does not expand or otherwise alter TI s applicable published warranties or warranty disclaimers for TI products, and no additional obligations or liabilities arise from TI providing such TI Resources. TI reserves the right to make corrections, enhancements, improvements and other changes to its TI Resources. You understand and agree that you remain responsible for using your independent analysis, evaluation and judgment in designing your applications and that you have full and exclusive responsibility to assure the safety of your applications and compliance of your applications (and of all TI products used in or for your applications) with all applicable regulations, laws and other applicable requirements. You represent that, with respect to your applications, you have all the necessary expertise to create and implement safeguards that (1) anticipate dangerous consequences of failures, (2) monitor failures and their consequences, and (3) lessen the likelihood of failures that might cause harm and take appropriate actions. You agree that prior to using or distributing any applications that include TI products, you will thoroughly test such applications and the functionality of such TI products as used in such applications. TI has not conducted any testing other than that specifically described in the published documentation for a particular TI Resource. You are authorized to use, copy and modify any individual TI Resource only in connection with the development of applications that include the TI product(s) identified in such TI Resource. NO OTHER LICENSE, EXPRESS OR IMPLIED, BY ESTOPPEL OR OTHERWISE TO ANY OTHER TI INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT, AND NO LICENSE TO ANY TECHNOLOGY OR INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT OF TI OR ANY THIRD PARTY IS GRANTED HEREIN, including but not limited to any patent right, copyright, mask work right, or other intellectual property right relating to any combination, machine, or process in which TI products or services are used. Information regarding or referencing third-party products or services does not constitute a license to use such products or services, or a warranty or endorsement thereof. Use of TI Resources may require a license from a third party under the patents or other intellectual property of the third party, or a license from TI under the patents or other intellectual property of TI. TI RESOURCES ARE PROVIDED AS IS AND WITH ALL FAULTS. TI DISCLAIMS ALL OTHER WARRANTIES OR REPRESENTATIONS, EXPRESS OR IMPLIED, REGARDING TI RESOURCES OR USE THEREOF, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO ACCURACY OR COMPLETENESS, TITLE, ANY EPIDEMIC FAILURE WARRANTY AND ANY IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, AND NON-INFRINGEMENT OF ANY THIRD PARTY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS. TI SHALL NOT BE LIABLE FOR AND SHALL NOT DEFEND OR INDEMNIFY YOU AGAINST ANY CLAIM, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO ANY INFRINGEMENT CLAIM THAT RELATES TO OR IS BASED ON ANY COMBINATION OF PRODUCTS EVEN IF DESCRIBED IN TI RESOURCES OR OTHERWISE. IN NO EVENT SHALL TI BE LIABLE FOR ANY ACTUAL, DIRECT, SPECIAL, COLLATERAL, INDIRECT, PUNITIVE, INCIDENTAL, CONSEQUENTIAL OR EXEMPLARY DAMAGES IN CONNECTION WITH OR ARISING OUT OF TI RESOURCES OR USE THEREOF, AND REGARDLESS OF WHETHER TI HAS BEEN ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGES. You agree to fully indemnify TI and its representatives against any damages, costs, losses, and/or liabilities arising out of your noncompliance with the terms and provisions of this Notice. This Notice applies to TI Resources. Additional terms apply to the use and purchase of certain types of materials, TI products and services. These include; without limitation, TI s standard terms for semiconductor products evaluation modules, and samples ( Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box , Dallas, Texas Copyright 2018, Texas Instruments Incorporated

Microsoft Word - Atmel-45136A-Pick-Best-Microcontroller-Strom-Eiland-Flodell_Article_CS

Microsoft Word - Atmel-45136A-Pick-Best-Microcontroller-Strom-Eiland-Flodell_Article_CS 如何为您的下一款设计选出最好的 8 位或 32 位微控制器作者 : Atmel 产品营销高级总监 Oyvind Strom Atmel 产品营销总监 Andreas Eieland Atmel 研发工具部门高级产品营销经理 Henrik Flodell 不久之前, 嵌入式系统还是既昂贵