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基于实车在环（ViL）的自动驾驶功能一致性评估

2019年10月22日 | 请工程化，定制化你的单片机代码

2019-10-22 来源：51hei

- 前言 -

时至今日，依旧看到很多小伙伴们放着单片机里的定时器不用，动辄delay1s（); delay500ms();虽然简单粗暴，但是其实是很不妥当的。

还有很多需要按键的程序，动不动就“while（k1==0);”的等按键松开，这样的代码只是“为了满足某个功能“而设计的代码，而非”为了保证产品的质量“而设计的代码。

我们应该时刻考虑“如果这傻逼用户不按我的标准操作来搞我的产品，我该怎么写程序？”，而不是”只要客户乖乖听我的，这样做是没问题的，就行了；出了问题都是他乱搞，跟我有个毛关系”，后面的思维是典型的只顾自己爽的思维，我们应当想方设法的提高产品的可靠度。

OK，扯远了，现在只是想提出一些设计的思路。

part1 . 系统的时基 & 依托于时基去设计函数

- 系统的时钟基线 -

关键词，是“时钟基线”。

我们需要设置一个定时器，这个定时器会告诉单片机：“好的，现在已经过了1ms了（或者100ms？这都没关系）”单片机一拍脑袋：“啊，已经到了1ms了么，那我就把某一件事情做一下吧”。

大致像这样：

这个程序的意思就是，让单片机每隔1ms就do_sth()一次（定时器的初始化函数省略了没画）；

这样写还可以让中断函数非常的简洁，几乎一进去就出来，基本不会影响到被中断打断的函数的工作；

以传递关键参数的形式，大循环里只要查一查这个flag1ms值，知道什么时间要做什么事情就对了。

- 按键函数举例 -

上图中这个do_sth()可以是任意函数，以按键函数keyPress（）为例，可以这样写：

void keyPress（）{

static unsigned int key_press_time = 0; // ……请记得标为静态变量

if(K1==0){

if(++key_press_time <=0 ) --key_press_time;//计量按键时间，并避免数据溢出

if(key_press_time==3000){

//在此写下按键长按3s时要做的事情；

}

}else{

if（20<=key_press_time && key_press_time < 3000){

//大于20ms小于3s，视为短按，在此写下写短按的处理代码

}

key_press_time=0；

}

这里有很多可以研究的地方：

①“if(++key_press_time <=0 ) --key_press_time;”这一句，看起来用“++key_press_time”就能搞定，但是，谁也不能保证沙雕用户真的不会按按键超过65秒的啊；万一他真的按了65576ms；单片机还就真的以为用户“短按”了一次呢（65576-65536=40ms，属于短按范畴），这下那个短按程序段也会被执行一次；现在这样写，哪怕你按100年也没关系了，反正我的单片机就每隔1ms进来看一次，K1这个按钮你想按多久就按多久，掉在我的范围内我就处理你，超出我的范围我就无视你。

②“if(key_press_time==3000){ ; }”这里的3000只是随便设置的的一个时间（3s），如果你需要做按键长短按功能，这里就是你的长按程序所放的位置；你也可以不用3000；用2000，50000都没事，别超过65534就行（提问：为什么这里又是65534呢？）；

③“if（20<=key_press_time && key_press_time < 3000)”这里，前面的>=20是个消抖的设计，客户再强也是人类，再强的人类也不可能1秒按一个按键超过20次；也就是不可能短于50ms的时间；这里用了20ms相当于兼容男上加男的快男也来按按键了。后面<3000是不能和长按的时间冲突，因为3s我们已经人为的设置成长按时间节点了。

好，现在知道相关的程序该怎么写了，我们回到刚刚讨论的时钟基线处。

- 多个时钟基线的方案 -

刚刚的例子中我们只展示了1ms的时基，对于单片机来说，1ms已经很慢了，但对于人和某些设备来说来说还是快的不行，比如一些本就需要10ms间隔的通信设置，需要隔100ms才能刷一次的显示，需要50ms才能重新采的某些传感器等等，这些东西放进1ms的do_sth(）里面肯定是不行的（其实也行，但不方便管理来着）——怎么办呢？

——好办，放进10ms 或50ms 或100ms 的do_sth() 里就OK了。

——但是我们只有1个定时器啊，怎么弄几个时基呢？

——1个定时器就够了，其他的时基都基于那个1ms的时基来就好。我们已经有了flag1ms，当然可以弄几个flag10ms乃至flag1000ms，只要你需要，就能设置。

如下图，我们通过参数控制参数的形式，将flag1ms扩展为多个时基，使得程序渐渐的趋于模块化，精准化。

这里有个要注意的地方，就是函数从宏观上来看，确实是“每隔1ms就do_sth();每隔10ms就do_sth1();每隔100ms就do_sth2()"。

但是，从微观上看，单片机是没法在同一时刻做2件事情的！所以，每到10ms的时候，单片机会”先把1ms的事情做完再做10ms的事“；每到100ms的时候，单片机会”先把1ms的事情做完再做10ms的事，再做100ms的事“。

现在，我们的系统已经趋于成型了，不过要注意一点，这些做事情的子函数里万万不得有delay函数了（放几个nop倒是无伤大雅），好不容易划分好了时钟基线，你在1ms的时基里塞上几个delay2ms是要闹怎样。

还有一个问题，那就是子函数不要拖泥带水，写得越简洁越好，赶紧把事情做完，把控制权还给单片机，由它来决定接下来要做什么。

- 函数应该放在哪个时基里？ -

这也是关键的地方，这要求我们要对自己的程序要有清楚的把握。以及一定的产品思维。

总的原则还是没变：所有的函数都要写得简洁干净，不要有任何模块的delay（）加起来超过200us！

一般来说，按键按一次不会超过50ms，放到flag10ms或者flag20ms的时间段里是没什么关系的（注意，这时候函数里的3000表示的就不是3s了，而是30s或者60s！这是遵循乘法原则的！）；

LCD显示之类的，控制某个LED之类的，100ms一次就行了，人眼视觉暂留之类的看不出问题的。

一般：检测，通信这类的子程序都能放到flag10ms或者flag20ms里。输出，显示这类的放flag100ms就OK了。

flag1ms里面应该放什么呢？我的意见是尽量什么也别放，空着都OK，因为其实没什么东西需要刷新得这么快的。

如果有特别需要关照的部分，比如说步进电机的驱动啥的，请放到另一个定时器中断里（单片机有俩定时器的，不用白不用），按你需要的来设置。

定时器的中断触发时间建议不要低于0.5ms，不然进中断就太频繁了，谁也不会希望自己正看着小电影的时候，爸妈过来拍你的房门吧？

—— 2019年6月10日更新 ——

Part2.将代码模块化，降低耦合度

- 降低代码间的耦合度 -

通俗点说，耦合度就是表示两个东西“你中有我，我中有你”的程度，代码间的耦合度越高，你修改起来就越费劲，有时候看到代码黏糊糊的像一大坨蜜糖，难免会让人不知从何处下口。

还是用个例子来说明一下吧——《电风扇系统设计1》

假设我们要写个电风扇的控制程序 —— 按键方面：风扇有开关键，强风弱风切换，摆头控制3个按键（注意，这里的按键是那种大开大合的开关按键，不是那种轻触按键）；显示方面：每个按键旁边各有1个小led灯，共3个灯；输出方面：有个控制风扇摆头的负载，有个控制风扇转不转的负载，有个控制风扇转得快或者慢的负载。

或许有人三下两下就画了个这样的流程图（一般风扇没开的时候是不能摆头的，这里就先不管了）：

然后就随手写出了这样的代码：

老实说，这没啥问题，因为我们的题目要求是那么的简单，简单的要求那就简单的实现吧。虽然这里的按键、显示、负载的程序代码像蜜糖一样黏糊糊的，但是代码也才十几行，谁会在意呢？也大致画一下如上代码的结构吧：

但是，别忘了2点！①是客户的需求随时都会改动；②是这么简单的项目还用不到你做。所以，我们稍微，加点难度上来看看？

《电风扇系统设计2》

在《风扇1》的基础上，①风扇没开时不能摆头；②风扇没开时，为了与没电作区分，要让3个LED灯同时以1s为周期闪烁；③开风扇后若是5小时内按键都没有变化过，则自动关掉风扇（避免久开，当然此后LED也要闪烁），若想重开风扇必须把“风扇开关按键”先关掉再打开才行。

说句实话，先前的那份代码也到此为止了，如果有人还想在原来的代码上改出满足现在的需求的代码，我只能祝他好运。虽然也不是不能改，但是若是想用你那delay500ms来满足我的闪烁要求；或者硬是嵌入一些绕来绕去的东西在里面，那肯定没有从头再来要省事。

那么——现在该怎么做呢？

首先，把粘连的模块分开，按键归按键，显示归显示，输出归输出。就像这样子：

这样的话，大家各做各的事情，互不干扰，需要共享的信息则通过关键参数来传递。这里我们设置了3个全局变量：key_on_flag, key_strong_flag, key_sheak_flag; 在keyPress（）函数里可以修改这3个变量的值，然后在display（）和output（）函数里查询这3个变量的值来控制显示和输出。这时候的代码结构就是这种样子的了——各个模块分开，用关键参数传递信息。

所谓的“模块化，降低耦合度”大致就是这种感觉，现在你需要在哪里改动就单独改动哪个部分的，不至于瞻前顾后、束手束脚了。

还没完呢，第二步，把我们的“时基”弄进来（不然上一堂课就白讲了），如图所示：

如此一来，关于那些指定时间的、指定频率的要求，我们也能轻松的应对了。比如这时候的display（）函数，可以这样写（这个其实还有缺陷，不过先凑合一下）——

相信通过这样一个例子，大家应该能看到模块化对你的软件系统有多大的改善了。模块间的耦合度降低之后，自有一种九阳神功中的“他强由他强，清风拂山岗。它弱由他弱，明月照大江。”的感觉。你那边爱怎么变就怎么变，我这边有必要就改动，没必要就不改动，将彼此间的影响减到最低。

时间有限，模块化的解说先到这里，后续有时间会将状态机等知识尽可能的讲解给大家。同时还得把这个需求变更后的《电风扇系统设计2》的软件给写完。

——2019年6月11日，今天没空更贴，暂时先优化一下排版——

——2019年6月14日，修复了教程中的keyPress（）和display（）函数中的两个静态变量忘了加static关键字的bug——

——2019年6月16日，更新，状态机上篇 ——

part3.使用状态机，帮助你管理系统状态（上篇）

（本章较为复杂，需要读者有较好的数电和C语言功底，方能融汇贯通）

- 状态机入门（有基础的可以跳过本小节） -

直白的说，状态机就是若干个“当前状态 + 触发条件 = 新状态（ + 附加动作）”的公式。

状态机可以画成图的形式（《状态迁移图》），也可以做成表格的形式（《状态分析表》），如果大家还有数字电子技术的功底的话，应该对下图还不至于太陌生。

↑此为某状态迁移图举例（与下表同义）

↑此为某状态分析表举例（与上图同义）

如果上述图表使用公式来表达的话那就是4个公式（取决于图的箭头数，或者表的跳转数），用公式的话，公式的数量不但多，看起来也很麻烦，所以我们一般用《图》或者《表》来描述你的状态机。

注意，一般的状态机是包含“动作”的，这里为了教学方便，略过了“动作”（后面会加回来的）。

状态机的使用有助于我们更直接，更便捷的管理我们的系统工作。尤其是在系统比较复杂的时候。

- 用程序来表现状态机 -

状态用枚举量为佳，因为我们应当保证系统的状态处于可控范围内，枚举量是我们工程师自定义的一个量，可以使系统处处受我们控制。

触发条件用bit变量即可，触发了就是1，没触发就是0；当然char之类也可以，但没必要。

有基础的同学可以使用"位结构体"来优化这些触发条件的内存，这里不提，请自行百度。

ok，那现在可以先定义我们的状态机变量了（以上述图表为例）。

typedef enum{

STATE1，

STATE2，

STATE3

}ENUM_STATE; //定义ENUM_STATE枚举类型，表状态

ENUM_STATE system_state = STATE1; //定义上述枚举类型的枚举变量system_state, 初始化为STATE1

bit test_flag_a, test_flag_b, test_flag_c; //定义3个触发条件的bit变量。

那么，状态机的程序要怎么写呢？其实我们观察《状态分析表》的时候，有人会喜欢根据当前状态，分析触发条件，来决定下一刻的状态；有人会喜欢从触发条件开始，看看现在的状态是否受这种触发条件影响，而进入新的状态。

——好吧，有两种观察方法，就有2种写法，读者可以自由选择自己喜欢的写法。

写法1（根据当前状态，看触发条件是否有效）：

void systemStateCtrl（）{

switch（system_state）{

case STATE1：

if（test_flag_b） system_state = STATE2；

break；

case STATE2：

if（test_flag_a) system_state = STATE1；

else if（test_flag_c) system_state = STATE3；//条件a比条件c优先

break；

case STATE3：

if（test_flag_a) system_state = STATE1；

break;

default:

break;

}

写法2（根据触发条件，看当前状态是否需要改变）：

void systemStateCtrl（）{

if（test_flag_a）{

if（system_state==STATE2 || system_state==STATE3）

system_state = STATE1；

}

else if（test_flag_b）{

if（system_state==STATE1）

system_state = STATE2；

}

else if（test_flag_c）{

if（system_state==STATE2）

system_state = STATE3；

}

else{

；

}

这2种写法各有特点，并没有优劣之分，各位可以自取所需。非要比较的话，我个人认为：第一种写法"好读一些"，第二种写法"好写一些"。

- 根据状态的值，控制系统的工作流 -

“系统的工作”很好理解，就是系统现在在干什么的意思，那么“系统的工作流”是什么意思？

——系统的工作流，表示系统在某段时间内的工作流程。

——为什么要普及“工作流”这个东西呢？

——因为，很多情况下，某个状态的工作不是写死的，而是可变的。比如：冰箱在制冷时，制冷器并不是一直开着的，而是一段时间开，一段时间关；洗衣机在洗衣服时，滚筒不是一直开着的，而是先等注水完成之后，正着转一段时间，然后反着转一段时间，然后又正着转……就是有一系列的工作步骤，这些工作的步骤其实就是我们所说的工作流。

如果你非要把洗衣机在洗衣服时，滚筒正着转和反着转分成2种新的状态的话……一路走好。

总之，为了给状态下的动作有一定的预留空间（因为天知道，需求会不会发生变化），我们需要给每个状态都做一套关于此状态下的动作的设计。

这个程序写起来也很简单，嵌入位置上，直接塞进状态机的屁股后面就行。如下：

/* 状态机程序 */

void systemStateCtrl（）{

//你的状态机程序

systemStateWork（）；//把状态工作程序放这里

}

/* 状态工作程序 */

void systemStateWork（）{ //设计你各个状态下的工作

switch(system_state){

case STATE1:

do_sth1();break;

case STATE2:

do_sth2();break;

case STATE3:

do_sth3();break;

default:

break;

}

- 例程：《电风扇系统设计2》的状态机初版 -

状态机真的是一个很庞大的知识点啊，好不容易把理论说完了，接下来诸位看看我的实例吧。

这个系统设计的需求我就不再重复了，各位往回看一看就能找到，关键在于，需求③我们还未处理【③开风扇后若是5小时内按键都没有变化过，则自动关掉风扇（避免久开，当然此后LED也要闪烁），若想重开风扇必须把“风扇开关按键”先关掉再打开才行。】。

那么开始吧，我们在一开始，会将系统的状态分成“风扇开”和“风扇关”两种，直接由风扇的开机键控制切换。但是，多了新的需求之后，开机键就不好使了——因为有种“风扇关”的状态，这时候的开机键也是按下的！经过一番思索，为了和真正的“风扇关”作区别，我们可以再创造一种新的状态——“停机”！也就是开机太久了，需要停机休息。停机时候的摇头键，强弱风键都无效，只有开机键松开，才能让你退出“停机”，进入"关机"。

根据我们的分析，可以画出系统的状态迁移图：

同样的，状态分析表。