记录matlab状态机demo

从零搭建一个状态机：MATLAB → Stateflow → 生成 C 代码 → 跑起来

关键词：有限状态机（FSM）、MATLAB、Stateflow、Simulink Coder、代码生成

环境：MATLAB R2021b + Simulink + Stateflow + Simulink Coder

示例模型：turnstile（地铁闸机 / 十字转门）

本教程用一个大家都熟悉的例子------地铁闸机------把"状态机"从一段 MATLAB 脚本，一路做到"生成 C 代码并编译运行"。你会看到：

状态机在代码里长什么样
怎么用 Stateflow 图形化建模并自动保存成 .slx
从 .slx 一键生成 C 代码
生成的 C 代码和状态机如何一一对应
写一个 main.c 把生成代码真正跑起来
几个容易踩的坑（变步长、输入事件 vs 输入数据、首步不解锁、乱码、最小文件集）

0. 为什么用"闸机"做例子

闸机只有两种状态，规则也极简，却包含了状态机的全部精髓：

状态：Locked（锁定）/ Unlocked（放行）
事件：coin（投币）/ push（推门）
转移规则：

当前状态	事件	结果
Locked	coin	→ Unlocked（投币开门）
Locked	push	保持 Locked（没投币推不动）
Unlocked	push	→ Locked（通过后重新锁）
Unlocked	coin	保持 Unlocked（重复投币无效）

一句话：只认"先投币、再推门"，一张票过一个人。

1. 先用纯 MATLAB 手写状态机（最直观）

不用任何工具箱，纯 .m 就能表达状态机。核心是三样东西：一组状态、一个"当前状态"变量、一组转移规则。

1.1 事件驱动版（switch 实现）

matlab 复制代码

% turnstile_statemachine.m
function turnstile_statemachine()
    state = 'LOCKED';
    fprintf('初始: %s\n', state);

    events = {'coin', 'push', 'coin', 'coin', 'push', 'push'};
    for i = 1:numel(events)
        e = events{i};
        switch state
            case 'LOCKED'
                if strcmp(e, 'coin')
                    state = 'UNLOCKED';
                    fprintf('事件 %-6s -> 投币成功，闸机打开\n', e);
                else
                    fprintf('事件 %-6s -> 门是锁的，推不动！\n', e);
                end
            case 'UNLOCKED'
                if strcmp(e, 'push')
                    state = 'LOCKED';
                    fprintf('事件 %-6s -> 通过，闸机重新锁定\n', e);
                else
                    fprintf('事件 %-6s -> 已打开，重复投币无效\n', e);
                end
        end
    end
end

运行：turnstile_statemachine

1.2 能生成 C 代码版（MATLAB Coder 友好）

上面的写法用了字符串状态、cell 数组、strcmp，不能直接生成 C 代码 。要生成 C，得用整数表示状态/事件，且不能有动态字段名、不能有 pause：

matlab 复制代码

% turnstile_step.m
%#codegen
function nextState = turnstile_step(currentState, event)
    LOCKED = 0; UNLOCKED = 1; COIN = 0; PUSH = 1;
    nextState = currentState;          % 默认保持当前状态
    switch currentState
        case LOCKED
            if event == COIN,  nextState = UNLOCKED; end
        case UNLOCKED
            if event == PUSH,  nextState = LOCKED;   end
    end
end

生成 C 代码（需 MATLAB Coder）：

matlab 复制代码

codegen turnstile_step -args {0, 0} -report

这一版是"手写状态机直接出 C"的路线。但我们更想看的是 Stateflow 图形化建模 → 生成 C ，所以下面走 .slx 路线。

2. 用 Stateflow API 自动生成 `.slx` 模型

不想手点鼠标画状态图？可以用 Stateflow 的 API 写个脚本，程序化建图并保存成 .slx：

matlab 复制代码

% generate_turnstile_slx.m
function generate_turnstile_slx()
    model = 'turnstile';
    if bdIsLoaded(model), close_system(model, 0); end
    if exist([model '.slx'], 'file'), delete([model '.slx']); end

    sfnew(model); open_system(model);                       % 新建带 Stateflow 图的模型
    rt = sfroot;
    chart = rt.find('-isa', 'Stateflow.Chart', '-and', 'Path', [model '/Chart']);

    % 输入数据 coin / push（boolean），作为图块输入端口
    dCoin = Stateflow.Data(chart); dCoin.Name = 'coin'; dCoin.Scope = 'Input'; dCoin.DataType = 'boolean';
    dPush = Stateflow.Data(chart); dPush.Name = 'push'; dPush.Scope = 'Input'; dPush.DataType = 'boolean';

    % 两个状态
    lock = Stateflow.State(chart); lock.Name = 'Locked';   lock.Position = [40 60 120 70];
    unl  = Stateflow.State(chart); unl.Name  = 'Unlocked'; unl.Position  = [240 60 120 70];

    % 默认转移：上电即 Locked
    defT = Stateflow.Transition(chart); defT.Destination = lock;

    % 状态间转移：用输入数据做守卫条件 [ ]
    t1 = Stateflow.Transition(chart); t1.Source = lock; t1.Destination = unl; t1.LabelString = '[coin]';
    t2 = Stateflow.Transition(chart); t2.Source = unl;  t2.Destination = lock; t2.LabelString = '[push]';

    % 根部接 Inport，让图能被驱动
    add_block('simulink/Sources/In1', [model '/coin_in'], 'Position', [20 100 50 120]);
    add_block('simulink/Sources/In1', [model '/push_in'], 'Position', [20 220 50 240]);
    add_line(model, 'coin_in/1', 'Chart/1');
    add_line(model, 'push_in/1', 'Chart/2');

    % 关键：固定步长求解器 + 仅生成代码（免 C 编译器）
    set_param(model, 'SolverType', 'Fixed-step');
    set_param(model, 'Solver', 'FixedStepDiscrete');
    set_param(model, 'FixedStep', '1');
    set_param(model, 'GenCodeOnly', 'on');

    save_system(model, [model '.slx']); close_system(model, 0);
end

运行 generate_turnstile_slx 即得到 turnstile.slx。双击 Chart 就能看到图形化的 Locked --[coin]--> Unlocked 和 Unlocked --[push]--> Locked。

⚠️ 坑 1：输入事件 vs 输入数据

一开始我把 coin/push 设成"输入事件（Input Event）"，结果生成的 C 代码里图被优化成空函数------因为没有东西去触发这些事件。改成"输入数据 + [ ] 守卫"并从根部 Inport 喂数据后，状态机才真正进入生成代码。

3. 从 `.slx` 生成 C 代码

matlab 复制代码

load_system('turnstile')
slbuild('turnstile')      % 等价于在模型里按 Ctrl+B

⚠️ 坑 2：变步长求解器报错

sfnew 建的模型默认是变步长 ，而 grt/ert 代码生成要求固定步长 ，否则报：

The specified code generation target ... cannot be used with a variable-step solver.

解决：脚本里已设 SolverType='Fixed-step' + Solver='FixedStepDiscrete'。

生成成功后，代码在 turnstile_grt_rtw/ 下。重点文件：

turnstile.c / turnstile.h ------ 模型步函数与接口
状态机逻辑就内联在 turnstile_step() 里

4. 生成的 C 代码，和状态机怎么对应

看 turnstile.c 里最关键的几段。

4.1 状态名 → 整数常量

c 复制代码

#define turnstile_IN_Locked            ((uint8_T)1U)
#define turnstile_IN_NO_ACTIVE_CHILD   ((uint8_T)0U)
#define turnstile_IN_Unlocked          ((uint8_T)2U)

Stateflow 把图里的 Locked/Unlocked 字符串编成了整数枚举。

4.2 当前状态 → 一个变量

c 复制代码

typedef struct {
  uint8_T is_active_c3_turnstile;   /* 图是否已激活 */
  uint8_T is_c3_turnstile;          /* 当前状态（存上面的 IN_ 常量）*/
} DW_turnstile_T;

这就是 FSM 里的"当前状态"变量，跨 step 调用一直保持。

4.3 输入 → 一个结构体

c 复制代码

typedef struct {
  boolean_T coin_in;   /* 根 Inport: coin */
  boolean_T push_in;   /* 根 Inport: push */
} ExtU_turnstile_T;

4.4 转移逻辑 → `turnstile_step()`

c 复制代码

void turnstile_step(void)
{
  if (turnstile_DW.is_active_c3_turnstile == 0U) {
    turnstile_DW.is_active_c3_turnstile = 1U;
    turnstile_DW.is_c3_turnstile = turnstile_IN_Locked;   // 默认转移 -> Locked
  } else if (turnstile_DW.is_c3_turnstile == turnstile_IN_Locked) {
    if (turnstile_U.coin_in) {
      turnstile_DW.is_c3_turnstile = turnstile_IN_Unlocked; // t1: [coin]
    }
  } else if (turnstile_U.push_in) {
    turnstile_DW.is_c3_turnstile = turnstile_IN_Locked;     // t2: [push]
  }
}

生成代码	状态机含义
第 1 个 `if`（is_active==0）	默认转移 `defT → Locked`
`else if (is_c3==Locked) { if(coin_in) ... }`	`t1`: `Locked --[coin]--> Unlocked`
`else if (push_in)`（走到这必是 Unlocked）	`t2`: `Unlocked --[push]--> Locked`

代码生成器把"每个状态一个 if 块"压成了 if/else 链，语义和手写 switch 完全等价。

5. 写 `main.c` 把生成代码跑起来

生成代码不会自己运行，需要一个宿主程序去喂输入、推步、读状态：

c 复制代码

/* main.c */
#include <stdio.h>
#include "turnstile.h"

/* 与 turnstile.c 中的 #define 保持一致（Stateflow 把状态编成整数）*/
#ifndef turnstile_IN_Locked
#define turnstile_IN_Locked   ((uint8_T)1U)
#define turnstile_IN_Unlocked ((uint8_T)2U)
#endif

static const char* state_name(uint8_T s) {
    if (s == turnstile_IN_Locked)   return "Locked";
    if (s == turnstile_IN_Unlocked) return "Unlocked";
    return "NO_ACTIVE_CHILD";
}

int main(void) {
    const int coin_seq[6] = {1, 0, 1, 1, 0, 0};
    const int push_seq[6] = {0, 1, 0, 0, 1, 1};
    int i;

    turnstile_initialize();
    printf("initial state: %s\n", state_name(turnstile_DW.is_c3_turnstile));

    for (i = 0; i < 6; i++) {
        turnstile_U.coin_in = (boolean_T)coin_seq[i];  // 喂输入
        turnstile_U.push_in = (boolean_T)push_seq[i];
        turnstile_step();                               // 推进一步
        printf("step %d: coin=%d push=%d -> state: %s\n",
               i + 1, coin_seq[i], push_seq[i],
               state_name(turnstile_DW.is_c3_turnstile));
    }
    turnstile_terminate();
    return 0;
}

5.1 用 MATLAB 自带的 LCC 编译

编译命令（关键标志已标出）：

bat 复制代码

rem build_main.bat （自动探测 MATLAB 根目录）
set LCC=%MATLAB_ROOT%\sys\lcc64\lcc64\bin\lcc64.exe
set LNK=%MATLAB_ROOT%\sys\lcc64\lcc64\bin\lcclnk64.exe
set LCCINC=%MATLAB_ROOT%\sys\lcc64\lcc64\include64
set INC=.\turnstile_grt_rtw
set MATLABINC=%MATLAB_ROOT%\extern\include
set SIMINC=%MATLAB_ROOT%\simulink\include
set RTWSRC=%MATLAB_ROOT%\rtw\c\src
set LIB=%MATLAB_ROOT%\sys\lcc64\lcc64\lib64

rem 编译（注意 -noregistrylookup 关掉交互式询问）
"%LCC%" -c -w -noregistrylookup -nodeclspec -I"%LCCINC%" -I"%INC%" -I"%MATLABINC%" -I"%SIMINC%" -I"%RTWSRC%" main.c -Fomain.obj
"%LCC%" -c -w -noregistrylookup -nodeclspec -I"%LCCINC%" -I"%INC%" -I"%MATLABINC%" -I"%SIMINC%" -I"%RTWSRC%" %INC%\turnstile.c -Foturnstile.obj

rem 链接（用 -L 指定库路径，不是 -libpath）
"%LNK%" -s -L"%LIB%" -o turnstile_demo.exe main.obj turnstile.obj

⚠️ 坑 3：LCC 的两个编译细节

必须加 -noregistrylookup，否则 LCC 会弹窗交互式询问头文件路径；

链接用 -L<lib64> 指定库搜索路径，不是 -libpath。

运行 turnstile_demo.exe：

复制代码

initial state: NO_ACTIVE_CHILD
step 1: coin=1 push=0 -> state: Locked
step 2: coin=0 push=1 -> state: Locked
step 3: coin=1 push=0 -> state: Unlocked
step 4: coin=1 push=0 -> state: Unlocked
step 5: coin=0 push=1 -> state: Locked
step 6: coin=0 push=1 -> state: Locked

行为完全正确：Locked 下 coin 才解锁、push 无效；Unlocked 下 push 才回锁、coin 无效。

⚠️ 坑 4：中文乱码

若把输出写成中文，源文件是 UTF-8，而 cmd 默认用 GBK，会乱码。最稳的做法是输出字符串用英文（ASCII）；或在 cmd 里先 chcp 65001 再运行。

6. 为什么 step 1 投了币却还是 Locked？

这是状态机的标准语义，不是 bug：

turnstile_step() 是 if / else if 链，一步只走一个分支：

step 1 ：is_active == 0，进入"激活"分支，执行默认转移进入 Locked。因为进了 if，后面的 else if（含 coin 判断）这一步不执行 ，coin=1 被"吞掉"。
step 3 ：图表早已激活且处于 Locked，才走 coin 分支 → Unlocked。

即：第一步是"闸机通电、默认锁上"，事件从下一步才开始被处理。想要 step 1 就解锁，只要在最前面加一个"预热步"（coin=0, push=0）即可。

7. 生成代码里哪些文件才是必需的？

不用全用。对这个简单模型，编译时只需要 turnstile.c + turnstile.h （外加它们 #include 的一堆纯头文件，不需要再编额外 .c）。

文件	需要？
`turnstile.c`	✅ 必须编译
`turnstile.h` 及它包含的 `*.h`（类型定义）	✅ 留着（纯头文件，不编译）
`rt_nonfinite.c` / `rtGetInf.c` / `rtGetNaN.c`	❌ 本模型没用到（浮点 Inf/NaN 支持被省去）
`.mat` / `.dmr` / `.mk` / `.rsp` / `rtw_proj.tmw`	❌ 生成元数据，不参与编译

实测 turnstile.c 只 #include 了 turnstile.h 和 turnstile_private.h，且完全没有调用任何 rt_* 函数 ------所以只编这一个 .c 就能出可执行文件。

注意：因为 turnstile.h 间接包含了 MATLAB 的几个头文件（tmwtypes.h 等），若放到没装 MATLAB 的机器上编译，需要把这些头文件一并复制过去（都是纯头文件，无害）。

8. 总结与延伸

一路下来，我们打通了：

复制代码

手写 .m 状态机  →  Stateflow 建 .slx 图  →  slbuild 生成 C  →  main.c 驱动  →  编译运行

三条路线对比：

路线	工具	适合
手写 `.m`	MATLAB	逻辑简单、想直接读代码
`.m` + MATLAB Coder	MATLAB Coder	从脚本直接出 C，轻量
`.slx` + Simulink Coder	Stateflow / Simulink Coder	图形化、复杂状态、要产品级代码

可以继续玩的：

把 state 输出加回 .slx，让 main.c 直接打印 0/1
用 Embedded Coder（ert.tlc）生成产品级代码，对比 GRT 的差异
扩展状态机：加"投币后超时自动回锁"、加子状态/并行状态
把最小文件包整理出来，放到没有 MATLAB 的嵌入式目标上编译

示例代码均在 turnstile_proj/ 目录下，包含：

turnstile_statemachine.m、turnstile_step.m、generate_turnstile_slx.m、

main.c、build_main.bat、turnstile.slx、turnstile_grt_rtw/。

记录matlab状态机demo

从零搭建一个状态机：MATLAB → Stateflow → 生成 C 代码 → 跑起来

0. 为什么用"闸机"做例子

1. 先用纯 MATLAB 手写状态机（最直观）

1.1 事件驱动版（switch 实现）

1.2 能生成 C 代码版（MATLAB Coder 友好）

2. 用 Stateflow API 自动生成 .slx 模型

3. 从 .slx 生成 C 代码

4. 生成的 C 代码，和状态机怎么对应

4.1 状态名 → 整数常量

4.2 当前状态 → 一个变量

4.3 输入 → 一个结构体

4.4 转移逻辑 → turnstile_step()

5. 写 main.c 把生成代码跑起来

5.1 用 MATLAB 自带的 LCC 编译

6. 为什么 step 1 投了币却还是 Locked？

7. 生成代码里哪些文件才是必需的？

8. 总结与延伸

2. 用 Stateflow API 自动生成 `.slx` 模型

3. 从 `.slx` 生成 C 代码

4.4 转移逻辑 → `turnstile_step()`

5. 写 `main.c` 把生成代码跑起来