攻克蓝桥杯（4）——第八届蓝桥杯嵌入式省赛电梯调度算法实战解析

1. 电梯调度算法基础与赛题解析

第一次看到第八届蓝桥杯嵌入式省赛的电梯调度题目时，我的内心是崩溃的。题目要求实现一个四层电梯的控制系统，需要处理按键响应、运行方向判断、楼层排序等复杂逻辑。这不仅仅是简单的GPIO控制，更考验我们对经典调度算法的理解和嵌入式实现能力。

电梯调度算法的核心目标是高效响应乘客请求。在资源受限的STM32F103RBT6上实现时，我们需要特别关注几个关键点：首先是内存占用，全局变量不宜过多；其次是实时性，算法不能有太高的时间复杂度；最后是稳定性，要避免死锁等异常情况。

常见的电梯调度算法有SCAN（电梯算法）、LOOK算法、SATF（最短寻道时间优先）等。经过对比分析，我选择了LOOK算法的变种来实现，因为它在保证公平性的同时，具有较好的效率。具体来说，就是电梯会持续朝一个方向运行，直到该方向没有请求时才会调转方向。

2. 硬件平台与外设配置

我使用的是官方指定的CT117E开发板，主控为STM32F103RBT6。在CubeMX中的配置需要特别注意几个关键点：

首先是定时器的配置。我们需要TIM3用于通用计时（处理1秒、6秒等时间逻辑），TIM4产生PWM波控制电机模拟电梯升降，TIM15用于按键消抖。具体参数设置如下：

// TIM3基础配置 htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 7200-1; // 72MHz/7200=10kHz htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 10000-1; // 10kHz/10000=1Hz htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // TIM4 PWM配置 htim4.Instance = TIM4; htim4.Init.Prescaler = 72-1; // 72MHz/72=1MHz htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim4.Init.Period = 1000-1; // 1MHz/1000=1kHz PWM htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

GPIO配置方面，四个楼层按键(F1-F4)需要设置为上拉输入模式，LED控制引脚设置为推挽输出。特别注意要开启对应的GPIO时钟和中断（如果需要）：

// 按键GPIO配置 GPIO_InitStruct.Pin = F1_Pin|F2_Pin|F3_Pin|F4_Pin; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

3. 核心算法实现细节

3.1 请求队列管理

电梯系统需要维护三个关键数组：目标楼层数组tar_level、上行队列go_up和下行队列go_down。我使用了简单的数组结构来存储这些信息：

uint8_t tar_level[4]; // 目标楼层，最大容量4 uint8_t go_up[3]; // 上行队列 uint8_t go_down[3]; // 下行队列 uint8_t up_cnt = 0; // 上行计数器 uint8_t down_cnt = 0; // 下行计数器

当按下楼层按键时，系统需要判断该请求是上行还是下行。这里有一个容易出错的细节：同一楼层的请求在不同情况下可能属于不同方向。例如，当前在1楼按下3楼是上行请求，而当前在4楼按下3楼则是下行请求。

if(HAL_GPIO_ReadPin(F3_GPIO_Port,F3_Pin) == 0 && now_level !=3) { tar_level[cnt] = 3; if(now_level<3) { up_down[cnt]=1; // 上行请求 } else { up_down[cnt]=2; // 下行请求 } cnt++; }

3.2 调度策略实现

核心调度逻辑在floor_rank()和up_down_jug()函数中实现。floor_rank()负责将原始请求分类到上行或下行队列，up_down_jug()则决定电梯当前运行方向。

void floor_rank(void) { int t = strlen((char *)up_down); for(int i=0; i<t; i++) { if(up_down[i] == 0x02) { go_down[q++] = tar_level[i]; // 加入下行队列 } else if(up_down[i] == 1) { go_up[p++] = tar_level[i]; // 加入上行队列 } } memset(up_down,0,3); memset(tar_level,0,3); } void up_down_jug(void) { if(strlen((char *)go_up) > 0) { flag_up = 1; flag_down = 0; // 设置上行标志 } else if(strlen((char *)go_down) > 0) { flag_down = 1; flag_up = 0; // 设置下行标志 } else { flag_down = flag_up = 0; // 无请求 } }

3.3 运行控制与楼层更新

电梯运行控制是项目中最复杂的部分，需要考虑多种状态转换。我使用了一个状态机模型，主要包含以下几个状态：

• 等待状态（无请求）
• 加速状态（启动初期）
• 匀速运行状态
• 减速状态（接近目标楼层）
• 停靠状态（开门、关门）

楼层更新逻辑在floor_add_dec()函数中实现，每6秒改变一次楼层：

if(sec_6 == 1 && (strlen((char *)go_up)>0 || strlen((char *)go_down)>0)) { if(flag_up && !arrive_tar) { now_level++; if(now_level == go_up[up_cnt]) { arrive_tar = 1; // 到达目标楼层 } } else if(flag_down && !arrive_tar) { now_level--; if(now_level == go_down[down_cnt]) { arrive_tar = 1; // 到达目标楼层 } } }

4. 调试技巧与性能优化

在开发过程中，我遇到了几个典型问题及解决方案：

问题1：按键响应不灵敏

• 原因：机械按键存在抖动，直接读取会导致多次触发
• 解决方案：增加300ms的延时消抖

if(HAL_GPIO_ReadPin(F1_GPIO_Port,F1_Pin) == 0) { HAL_Delay(300); // 消抖处理 if(HAL_GPIO_ReadPin(F1_GPIO_Port,F1_Pin) == 0) { // 确认按键按下 } }

问题2：电梯运行不流畅

• 原因：主循环中处理太多任务，导致响应延迟
• 优化方案：将部分功能移到定时器中断处理

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Instance == TIM3) { time_cnt++; if(time_cnt >= 6000) { // 6秒到达 sec_6 = 1; time_cnt = 0; } } }

问题3：LCD显示闪烁

• 原因：频繁刷新导致
• 优化方案：只在数据变化时更新显示

if(last_level != now_level) { sprintf((char *)str1," %d",now_level); LCD_DisplayStringLine(Line4,str1); last_level = now_level; }

在资源优化方面，我做了以下改进：

1. 将部分字符串常量改为指针引用，减少内存占用
2. 使用位域结构体压缩标志位存储
3. 合理使用const修饰符，将常量放入Flash而非RAM
4. 优化算法时间复杂度，避免多层嵌套循环

5. 完整系统集成与测试

将所有模块集成后，需要进行系统级测试。我设计了以下几种测试场景：

1. 基本功能测试：

   • 从1楼依次按下2、3、4楼，验证上行顺序
   • 从4楼依次按下3、2、1楼，验证下行顺序
   • 混合按下不同楼层，验证调度逻辑

2. 边界条件测试：

   • 在当前楼层按下相同楼层（应无响应）
   • 快速连续按下多个楼层
   • 电梯运行过程中新增请求

3. 压力测试：

   • 同时按下所有楼层按键
   • 长时间运行测试稳定性

测试过程中发现的一个有趣现象是：当电梯正在上行时，如果按下比当前楼层低的楼层，该请求会被正确加入下行队列，但不会立即响应，而是等完成所有上行请求后再处理。这正好体现了LOOK算法的特点。

6. 工程架构与代码规范

为了提高代码可维护性，我采用了模块化设计：

Elevator_Control/ ├── Inc/ │ ├── elevator.h // 主要数据结构与宏定义 │ ├── io_config.h // GPIO引脚定义 │ └── timer_config.h // 定时器配置 ├── Src/ │ ├── main.c // 主循环与初始化 │ ├── elevator.c // 核心调度算法 │ ├── io_control.c // 按键与LED控制 │ └── lcd_display.c // 显示相关函数 └── Drivers/ // HAL库文件

在编码规范方面，我特别注意以下几点：

1. 全局变量加前缀"g_"便于识别
2. 函数名使用动宾结构，如"get_current_floor()"
3. 关键代码段添加详细注释
4. 保持一致的缩进风格（4个空格）
5. 复杂逻辑拆分为小函数，每个函数只做一件事

7. 常见问题解决方案

在实际开发中，我遇到了几个典型问题，这里分享解决方案：

问题1：电梯运行方向判断错误

• 现象：有时会错误地改变运行方向
• 原因：标志位没有及时清除
• 修复：在完成所有同方向请求后再清除标志位

if(up_cnt == strlen((char *)go_up) && up_cnt != 0) { memset(go_up,0,3); up_cnt = 0; flag_up = 0; // 明确清除标志位 }

问题2：楼层显示跳变

• 现象：LCD显示的楼层号偶尔会跳变
• 原因：变量类型不匹配导致溢出
• 修复：统一使用uint8_t类型存储楼层信息

uint8_t now_level = 1; // 明确指定无符号类型

问题3：定时器中断冲突

• 现象：有时定时器中断会互相干扰
• 解决方案：合理设置中断优先级

HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 1, 0); HAL_NVIC_SetPriority(TIM4_IRQn, 2, 0);

8. 进阶优化思路

完成基础功能后，还可以考虑以下优化方向：

1. 动态权重调度： 为不同楼层请求设置优先级，例如：
   • 长时间等待的请求提高优先级
   • 紧急呼叫最高优先级

typedef struct { uint8_t floor; uint32_t wait_time; // 等待时间 uint8_t priority; // 优先级 } ElevatorRequest;

2. 能耗优化： 根据运行状态调整PWM占空比，在匀速阶段降低能耗

void adjust_pwm(uint8_t mode) { if(mode == ACCELERATE) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, 800); // 80%占空比 } else if(mode == CRUISE) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, 500); // 50%占空比 } }

3. 预测算法： 基于历史数据预测可能请求，提前准备响应
4. 多电梯协同： 扩展为多电梯系统，实现负载均衡

在资源允许的情况下，还可以增加更多实用功能：

• 语音提示功能
• 故障自检与恢复
• 远程监控接口
• 能耗统计显示

这个项目让我深刻体会到，嵌入式开发不仅仅是写代码，更需要考虑硬件特性、实时性要求和资源限制之间的平衡。调试过程中，逻辑分析仪和STM32CubeMonitor工具帮了大忙，它们可以直观地展示系统运行状态，快速定位问题。