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Stateflow状态机建模：开关控制LED灯状态

news 2026/6/17 1:40:57

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文章目录

1 引入
2 Stateflow状态机的概念
3 状态机建模：开关控制LED灯状态
5 总结

1 引入

虽然之前写过一篇状态机的博客《Simulink算法建模：状态机基础》，但是没有做更深入的学习。博主准备以LED灯开关为例，重新研究一下状态机建模中的一些常用技术点，形成一个相对完整的系列。

本文内容基于Matlab 2024b。

2 Stateflow状态机的概念

在嵌入式软件开发中，常常会遇到与“状态”和“流转”相关的场景。例如，汽车刚刚启动时处于【静止】状态，挂挡并踩下油门后会进入到【行驶】状态。在按下开关后，LED灯会进入【点亮】状态，再按一下开关会进入【熄灭】状态。

用传统的if-else或switch 语句去描述这些与状态相关的行为，代码往往会变得非常臃肿且出现大量的条件嵌套。通过Simulink中的Stateflow状态机建模，可以直观、清晰地描述系统的状态、以及状态之间的转换过程。Stateflow状态机由以下几个核心组成部分：

状态（State）：系统在某一时刻所处的情况（如汽车“静止”、小灯“亮”）。
事件或条件（Event/Condition）：引发状态变化的外部或内部触发因素（如“踩下油门”、“按下开关”）。
转移（Transition）：系统从一个状态切换到另一个状态的过程。
动作（Action）：进入状态、状态保持或退出状态时执行的代码或行为。
Stateflow集成在Simulink中，通过Chart模块的形式插入到 Simulink 模型中，通过输入端口接收 Simulink 中来的信号，通过输出端口输出控制命令、标志信号、状态量等。Stateflow可以弥补Simulink其他模块难以处理复杂控制逻辑的缺点，在下文的建模示例中可以直观地理解这些概念。

3 状态机建模：开关控制LED灯状态

在Simulink中添加一个Chart模块，如图所示。模块中央包含2个矩形和2个箭头，看起来就像是两个状态以及互相之间的跳转。

双击Chart模块进入模块内部，在其中可以进行状态机相关建模。在Chart模块内的上方的组件栏，包含了建模常用的子模块，如状态、跳转、真值表等。

点击组件栏中的Insert State，并拖入主界面，可以创建OFF和ON状态，如图所示。其中，状态名称需要用户自己定义，位于状态框的左上角。

注意第一个拖动出来的状态框图包含一个指向自身的箭头，该箭头表示在模型运行的第一个周期状态机默认跳转到这个状态。

在两个状态框图内分别用entry关键字定义进入动作，进入OFF和ON状态时分别将变量LED_State赋值为0和1，表示LED灯的亮和灭，如图所示。

这里的entry动作表示，在第一次进入该状态的周期内，执行下面的语句。entry也可简写成en。类似的动作还有during和exit动作，分别表示处于状态内和离开状态执行的语句。接着用鼠标在状态框图的边缘拖出2条转移线，表示建立2个状态之间的转移，如图所示。

建立的转移上并没有任何的条件或事件，需要在上面添加按下按钮的条件，如图所示。

转移上的方括号表示其中是跳转的条件，这里定义为Key_Pressed，表示按钮按下。状态机的搭建已经完成，其中包含2个状态OFF和ON，跳转条件Key_Pressed，互相之间的转移（带箭头的线）以及进入状态的动作。接下来，需要定义LED_State和Key_Pressed变量的属性。首先点击上面建模工具的Model Explorer，打开模型浏览器，如图所示。

在模型浏览器的左侧选中Chart模块时，上方会对应出现添加变量以及事件按钮，如图所示。这里需要通过添加变量按钮，分别定义按下按钮的条件Key_Pressed以及LED灯状态LED_State。

在中间的变量配置面板中需要分别配置变量名Name，变量类型Scope和数据类型DataType属性。Key_Pressed和LED_State的类型分别为Input和Output，代表是状态机的输入和输出。其类型都是boolean，即按钮和LED灯都只有开和关两种状态，如图所示。

定义完成后，返回到Chart模块外部。Chart模块自动变成一个输入端口和一个输出端口，端口名分别为Key_Pressed和LED_State，如图所示。

接下来通过输入和输出来验证状态机的效果。首先在Chart模块的输入端口，用Pulse Generator模块模拟按下按钮的过程，使用Unitdelay模块和逻辑运算模块来检测按下的上升沿时刻，如图所示。

该输入逻辑表明，当Pulse Generator本周期为1，且上周期为0的时候，Chart模块输入的Key_Pressed为1。该方法表明无论按下按钮多久，都只检测从0到1的那一个周期作为跳转的条件。双击Pulse Generator模块配置其中的参数如图所示，模拟多次按下开关。

在Chart模块的输出端口用Scope模块观测Pulse Generator模块的输出、Key_Pressed输入和LED_State的输出，如图所示。

参照2.3.1节的内容，将模型配置为固定步长、离散求解器，以及运行周期为0.01s，如图所示。

运行模型仿真，双击Scope模块，可以观察到各个信号如图所示。

输出结果可以结合状态机内部逻辑分析。PulseGenerator信号在1-2s、3-4s、5-6s、7-8s、9-10s时为1，表示这些时间段按下了开关，并且在第2、4、6、8、10时刻松手，开关回弹到0。由于模型中使用了Unitdelay模块检测上升沿，所以Key_Pressed只在1、3、5、7、9时刻产生一个周期置位为1，其余时候都处于0。在Chart模块内部，0时刻时通过默认跳转跳到OFF状态，如图所示。

在1、3、5、7、9s时，由于Key_Pressed产生了一个周期的置位1，激活了状态机内部的跳转条件，如图所示。因此，状态从OFF跳转到ON，或者从ON跳转到OFF。输出的LED_State表现为数值从0和1之间互相跳转，0表示状态OFF，1表示状态ON。

该状态机以状态跳转、条件、动作等概念，简单直观地描述了开关和LED灯的状态之间的关系，免去了if-else条件判断的复杂和繁琐。

注意如果直接将Pulse Generator输出的方波信号输入到Chart模块的Key_Pressed端口，在Pulse Generator置为1的一段时间内，状态机会在每个周期都满足[Key_Pressed]跳转条件，会在OFF和ON之间来回地跳转。显然这不符合开关控制LED灯的逻辑，因此只判断上升沿触发转移。