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针对基本状态机模式的第(13)个问题,需要对模式进行改进。本节将一 一分析这些问题对应的解决方案,并最终形成一种新的状态机模式一一消息队列 型状态机模式。(1)状态的分类不清晰。这是一个涉及各个状态分类管理的问题,是一个组织问题。我们可以做一个 类比,在一个书桌上有许多种类的书籍(通信、计算机、机械、法律等),这些 书都摆放在书桌上很整齐。但是我们在寻找一本书时并不会觉得很迅速和随意, 因为书籍的摆放是无序的,每次寻找书籍我们不得不从第一本开始浏览直至找到 我们想要的书籍。或许可以做一些改变,我们设置一些书立,将不同种类的书使 用书立分开。并且在书立上标明这些书籍表示的种类。这样我们在寻找某一种书 籍时就不需要从第一本书开始寻找了,只需要找到对应的书立,在这些书立中寻 找即可。让我们回到程序,并给程序的状态设置一些“书立”。如图4所示,系统 共有 9 个有效状态(U【Initial、Data Initial、Instr Initial、Temperature、Power、 FFT、JTFA、Data Clean、Exit)。如果把这些状态混在一起,我们需要找到某 一个状态时会比较困惑和麻烦。如同上面所述,将这些状态分为4类并设置了4 个“书立(Initial、Acquire、Analyse、System)分隔这些状态。在实际的状态 控制中,需要确保程序只会进入实际的状态中运行而不会进入到“书立”分支 中,因此对每个“书立”加入了“ ”以示区别。图4状态分类尽管我们只是进行了少量的修改,但是这的确有利于程序状态的组织和阅 读,尤其是当程序具有很多个状态的时候。(2)缺乏数据共享和错误处理机制。在层叠式的顺序结构中,数据在帧之间的传递是靠“顺序局域变量”实现 的。那么如果在case结构中如何传递不同分支的数据呢?这个问题似乎很容易 解决,使用局域变量,全局变量或共享变量都能够解决,但是这些并不是最优的 解决方案。因为上述的方式会明显系统运行的内存空间和时间。由于状态机的基 本组成元素除了 case结构之外还有循环,因此可以使用移位寄存器来传递数据。 如图5所示。图5状态机中的数据传递图5使用移位寄存器进行数据共享和传递,将所有的数据封装在一个簇中 并对每个数据命名,这样在使用数据时就可以使用“ Unbundle by name或 “bundle by name”。需要说明的是,即使使用一个数据需要共享,仍然希望采 用簇的封装形式,这样当后续需要增加扩展数据的时候并不会影响现有的数据引 用。(3)每一个状态分支只能够决定后面的一个状态,而无法决定一个状态序列(多 个状态)。在基本状态机中之所以存在这个问题是因为状态的传递使用的是Scalar (标 量)形式,如果需要传递一个状态序列,很明显可以使用队列或数组进行状态的 传递。在LabVIEW程序设计模式中将这种具备处理状态序列的状态机称为“消 息队列型状态机”,它是在基本状态机基础上的改进。顾名思义,这种模式就像银行办理业务时排队一样采用队列的方式。当储户 进入银行时,首先到叫号机处领取号码进行排队(进入队列)并等待。然后,当 前面的储户办理完业务后就可以到相应的窗口办理业务(退出队列)。事实上, 这种方式在现代生活中随处可见。在LabVIEW中至少有两种实现消息队列的方法。如图6所示。前者使用数 组函数实现队列元素的入列和出列;后者使用队列函数实现队列元素的入列和出 列。二者都能够实现队列的有序操作和状态的序列变化。图6消息队列型状态机模式本节解决了基本状态机模式中的(1)(3)个问题,为了更好地比较和使 用这些特点,特使用一个实例说明消息队列型状态机的使用过程。【应用2】本例要模拟一个自动贩卖机的工作过程。它的一次正常交易过程为:投币 选择需要购买的商品一找币,当币值不足或商品已经销售完毕时则无法购买。程序的前面板如图7所示。在贩卖机的左上侧有4个按钮。(1)1USD:单击时表示投入1美元的货币,2USD和5USD类同;(2)Change Back:表示找零,也就是将目前剩余的货币退还给用户。程序的右侧是5个按钮,表示5种不同类别的可乐(这里均使用了可口可乐 的图标),每种可乐的价格均是1美元。可乐的下面数字表示贩卖机中剩余的该 商品的数量,初始为每种20瓶。Current money显示贩卖机中剩余的货币数,你 可以继续购买可乐或者选择退回。单击Stop按钮将退出应用程序。本例将使用本节介绍的消息队列状态机模式解决这个应用(也可以使用其它 的设计模式)。系统的功能并不复杂,关键是要判断贩卖机中的剩余钱数和剩余图7自动贩卖机前面板程序背面板如图8所示。系统分为5个状态,并分为2大类。(1) 第一类:Initiala) UI Initial:前面板界面的初始化。b) Data Initial:数据的初始化。(2) 第二类:Systema) Idle( Default):空闲状态。b) CheckMoney:贩卖机中的剩余钱数和剩余的货物数以决定交易是否成功。c) Exit:退出程序。程序开始运行时进入UI Initial和Data Initial状态,完成初始化操作。从图 中可以看出系统采用数组函数处理消息队列。图8自动贩卖机背面板在UI Initial中,系统给标题栏和说明栏赋值,并将前面板的商品设置为不 可购买状态,因为在初始化时还没有完成投币动作。如图9所示。图 9 UI Initial 分支在Data Initial中包含两个共享的数据:Money和GState前者表示贩卖机中 剩余的币值,初始化值为0而后者表示贩卖机中各个商品剩余的数量,初始化 值为2Q数据使用移位寄存器传递以便于在各个case分支中共享和使用,如图10 所示。图 10 Data Initial 分支CheckMoney分支主要是为了防止不合法的交易(如投入的币值不足或商品 数量不足),如图11所示。图 11 CheckMoney 分支当程序运行到Exit分支时,将停止循环并退出程序,如图12所示。图12 Exit分支Idle分支用来监控前面板各个按钮控件的变化并执行相应的状态。该分支比 较复杂,当检测到第0个按钮被按下时(即1USD按钮),贩卖机中的货币值应 该加一,同时需要判断是否达到了交易条件(即进入CheckMoney状态)。其它 的状态可以执行相应的代码即可,这里不再重复解释。图13 Idle分支从本例可以看出,相比基本状态机而言,尽管程序的复杂度增加了,但是在 构建大型的应用程序时也更加地健壮,代码也易于维护和查看。
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