Arduino einfach mit einem Zustandsautomaten in C++ programmieren

17.10.2019 René Beckmann *

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Zustandsautomaten eignen sich hervorragend zur Entwicklung reaktiver Systeme. Mittels C++ und einem Arduino-Board kann ein solcher Automat bereits mit einfachen Mitteln und wenig Aufwand umgesetzt werden.

An-/Aus-Schalter: Diagramm eines einfachen Zustandsautomaten.
(Bild: / CC0)

Zustandsautomaten eignen sich hervorragend zur Entwicklung reaktiver Systeme. Das signifikanteste Merkmal reaktiver Systeme ist, dass sie mit Ihrer Umgebung interagieren. Dazu dienen Sensoren, z.B. Bewegungs-, Helligkeits- oder Temperatursensoren, und Aktuatoren wie LEDs oder Motoren. Ein solches System befindet sich immer in genau einem von endlich vielen Zuständen. Abhängig vom aktuellen Zustand reagiert das System unterschiedlich auf eingehende Ereignisse.

Das wohl einfachste Beispiel eines Zustandsautomaten mit praktischer Bedeutung ist der zur Steuerung eines Lichtschalters (siehe Aufmacherbild). Dieser Zustandsautomat besteht aus den beiden Zuständen Off und On. Nur jeweils einer dieser beiden Zustände kann zur selben Zeit aktiv sein. Ein Zustandsübergang von einem Zustand in den anderen erfolgt über eine sogenannte Transition. Sie erfolgt immer dann, wenn das Ereignis buttonpressed ausgelöst wurde.

Um in komplexeren Systemen, die aus mehr als nur zwei Zuständen bestehen, die Übersicht zu behalten, eignen sich Modellierungswerkzeuge wie YAKINDU Statechart Tools . Grafische Modelle sind sogar für Kollegen aus der Fachabteilung zu verstehen, die keine Programmierkenntnisse haben.

Außerdem können die Modelle direkt simuliert und getestet werden, ohne dass auch nur eine einzige Zeile Code geschrieben werden muss. Da die Modelle plattformunabhängig sind, kann daraus beliebiger Quellcode generiert werden, z.B. C, C++ sowie Java und Python.

Wie das funktioniert, schauen wir uns nachfolgend am Beispiel einer Treppenhausbeleuchtung an, die wir mit Zustandsautomaten auf einem Arduino mit C++ umsetzen.

Unser Beispiel: automatische Treppenhausbeleuchtung

Die Treppenhausbeleuchtung soll drei unterschiedliche Modi aufweisen:

Aus,

An mit getimeter Abschaltautomatik,

Automatik mit Bewegungsmelder.

Mit einem Taster kann zwischen den drei Modi gewechselt werden; zwei LEDs signalisieren den aktuellen Betriebsmodus. Aus den Betriebsmodi und der Bedienungsart ergibt sich schon die Grundstruktur des Zustandsautomaten (siehe Bild 1).

Der Wechsel zwischen den Zuständen Off, Timer und Motion_Automatic erfolgt durch Ereignisse – entweder durch Knopfdruck oder nach Ablauf eines Timers. Klickt der Anwender einmal auf den Lichttaster, wird der Timer-Modus aktiviert, das Licht geht an und nach 30 Sekunden wieder aus. Drückt er innerhalb dieser 30 Sekunden erneut auf den Knopf, wird stattdessen die Bewegungsautomatik aktiviert. Wenn der Bewegungsmelder in diesem Modus eine Bewegung detektiert, wird wiederum für 30 Sekunden das Licht eingeschaltet.

Bild 1: Grundstruktur des angedachten Zustandsautomaten.
(Bild: itemis)

Dieser Timer wird jedes Mal von Neuem gestartet, wenn erneut Bewegung detektiert wird. Die zwei LEDs, die die verschiedenen Betriebsmodi signalisieren, werden beim Betreten und Verlassen der jeweiligen Zustände von diesen aktiviert und deaktiviert. So ist die Kontrolle über die Logik des Gesamtsystems komplett in den Zustandsautomaten integriert.

Wollen wir den Automaten auf einem eingebetteten System einsetzen, können wir aus dem Diagramm direkt C- oder C++-Code generieren, welcher dann die Kontrolle dieser Logik komplett übernimmt. Lediglich die Anbindung des Automaten an die Außenwelt muss implementiert werden, in unserem Beispiel das Erzeugen des Button-Ereignisses sowie das Ansteuern des Lichts und der Status-LEDs. Das ist notwendig, da dieser Code abhängig von der jeweiligen Zielplattform ist. Das gleiche gilt für die Timer-Funktionalitäten.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, einen Zustandsautomaten in Quellcode abzubilden. Die am häufigsten verwendeten Möglichkeiten sind die Darstellung als Tabelle, als Switch-Case-Statement oder – bei objektorientierten Programmiersprachen – das State-Pattern. Eine ausführliche Diskussion der spezifischen Vor- und Nachteile findet sich in diesem Whitepaper.

Umsetzung auf dem Arduino Uno

Bild 2: Schaltplan für die Umsetzung des Zustandsautomaten auf einem Arduino Uno.
(Bild: itemis)

Der Aufbau der Schaltung ist in Bild 2 dargestellt. Das eigentliche Treppenhauslicht ist über die On-Board-LED realisiert, um die Schaltung übersichtlich zu halten. Die beiden Modus-LEDs sind an die Pins 9 und 10 angeschlossen, der Bewegungsmelder an Pin 7. Diese Pins sind prinzipiell frei wählbar. Der Schalter kann aber ausschließlich an Pin 2 oder 3 angeschlossen werden, da nur diese Pins Interrupts auslösen können. Die beiden LEDs sind mit 220 Ω Vorwiderständen versehen, der Schalter hat einen 22-kΩ-Pulldown.

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Die Software besteht aus zwei Kernkomponenten - einmal der generierten C++-Code aus dem Statechart, sowie der handgeschriebene Glue-Code, um die plattformunabhängige Logik der State Machine mit der Hardware zu verknüpfen.

Die YAKINDU Statechart Tools generieren Zustandsautomaten standardmäßig als Switch-Case-Statement. Dies stellt sicher, dass der generierte Code nicht nur performant ist, sondern auch gut lesbar. Aus Platzgründen verzichten wir hier auf Implementierungsdetails, der entsprechende Quellcode findet sich im Github Projekt. Basierend auf den im Statechart definierten Ereignissen und Variablen wird das Interface des Automaten generiert:

void raise_button();
 void raise_motion();
 sc_boolean get_light() const;
 sc_boolean get_led_timer() const;
 sc_boolean get_led_motion() const;
 void init();
 void enter();

In der Software verwenden wir den Zustandsautomaten in einer einfachen Eingabe-/Ausgabe-Schleife (loop()). In dieser wird zuerst der Timer aktualisiert. Dazu wird die millis()-Funktion aus der Arduino-Library verwendet. Wenn nötig, löst der Timer eventuelle Zeitereignisse auf dem Automaten aus.

long now = millis();
 if(now - time_ms > 0) {
     timerInterface->proceed(now - time_ms);
     time_ms = millis();
 }

Basierend auf den Eingaben wie Tasterbetätigungen und Bewegung werden Ereignisse auf der Automaten-Instanz lightswitch ausgelöst:

// handle button press from ISR
 if(buttonPressed) {
     lightswitch.raise_button();
     buttonPressed = false;
 }
 // read out motion sensor
 if(digitalRead(7)) {
     lightswitch.raise_motion();
 }

Auf diese Eingaben hat der Automat nun entsprechend reagiert, und seine Ausgaben werden wiederum mittels der LEDs dargestellt:

// set light
 digitalWrite(13, lightswitch.get_light());
 // set mode LEDs
 digitalWrite(9, lightswitch.get_led_timer());
 digitalWrite(10, lightswitch.get_led_motion());

Schlussendlich wird der Arduino noch in den Schlafmodus gesetzt, um Energie zu sparen, wenn der Automat im Off-Zustand ist.

// if in Off-state, go to sleep (wake up by ISR)
 if(lightswitch.isStateActive(Lightswitch::lightswitch_Off)) 
{
     enterSleep();
 }

Das Flashen des Arduino erfolgt über die Arduino-IDE. Dazu wird das Projekt mit der State-Machine als Library eingebunden und lediglich der spezifische Arduino-Code in der Arduino-IDE geschrieben.

An dieser Stelle verdeutlicht sich der Vorteil der Verwendung von Statecharts - die Logik des Programms und der Hardware-spezifische Code sind voneinander entkoppelt und können getrennt voneinander entwickelt werden.

Das komplette Beispiel kannkostenlos von GitHub heruntergeladen werden.