基于有限状态机模型的GUI设计及其应用

基于有限状态机的自动门控系统软件设计田龙;何勇灵【摘要】采用有限状态机的方法设计了一种自动门控制系统软件,可实现自动门的可靠开闭和精确检测.本文介绍了自动门控系统控制及检测要求,给出了有限状态机的基本原理,建立了基于有限状态机的程序设计模型,给出软件设计的部分关键代码.单步调试及装车实测证明:有限状态机模型有助于规范化解决控制系统软件设计问题.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】4页(P11-14)【关键词】有限状态机;信号检测;自动门控制【作者】田龙;何勇灵【作者单位】北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TP24在某自动门控系统中，根据门控装置配置的光电传感器、接近开关、微动开关和控制按钮的状态，执行开门、关门、锁门及开关门二级缓冲动作。

划分门控系统运行状态，确定不同输入条件下门控系统状态转移过程，是设计自动门控系统软件的关键。

本文根据自动门控系统配置传感器的信号特征，合理划分门控系统运行状态，采用有限状态机原理，设计了门控系统控制和监测软件，极大地提高了软件设计可靠性。

自动门控系统输入信号包括：锁门状态信号、关门位置信号、关门检测信号、开门检测与位置信号、开门关门控制信号，分别以红外传感器、微动开关、接近传感器和门按钮实现物理动作与电信号转换，嵌入式微控制器根据输入信号的变化，按设计的控制逻辑，控制直流电机拖动自动门动作。

自动门控系统原理框图如图1所示。

自动门控系统输入信号特征如下：(1) 锁门状态信号，电平电压24 V、0 V有效，在红外传感器被锁舌遮挡时，信号能够保持低电平；(2) 关门位置信号，电平电压24 V、24 V有效，当自动门门板上的金属挡板触碰微动开关使其闭合时，信号持续保持高电平；(3) 关门检测信号，电平电压24 V、0 V有效，金属挡板遮挡接近传感器时，信号保持低电平；(4) 开门检测与位置信号，电平电压24 V、0 V有效，金属挡板遮挡接近传感器时，信号保持低电平，金属挡板通过接近传感器后，信号恢复高电平；(5) 开关门控制信号，由门按钮按下时给出电平电压为24 V的控制信号，有效时间<0.5 s，根据当前门状态控制直流电机的正转或者反转。

有限状态机数学模型概述及解释说明1. 引言1.1 概述在计算机科学领域中，有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种用于描述对象或系统的行为方式的数学模型。

有限状态机通过定义一组离散的状态和状态之间的转换规则来描述系统的动态变化。

1.2 文章结构本篇文章主要围绕有限状态机数学模型展开讨论，并依次介绍了其定义、基本特性、状态转换图等内容。

同时也会对有限状态机在现实世界中的应用领域进行探讨，并介绍设计原则以及状态转换表和状态转换图之间的关系。

最后，本文将通过具体实例分析三种不同情况下有限状态机模型的应用，以期帮助读者更好地理解该数学模型。

1.3 目的本文旨在提供一个简明扼要但详尽全面的概述，使读者对有限状态机数学模型有一个清晰明了的认识。

通过阅读本文，读者将能够了解该数学模型在实际应用中的重要性，并能够运用所学知识解决相关问题。

此外，本文还将指出当前研究领域中有限状态机数学模型存在的一些局限性，并展望未来的研究方向，以促进学术界对该领域的深入探索和创新。

2. 有限状态机数学模型2.1 定义有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种表示系统运行状态的数学模型。

它由一组离散的状态、条件和转移规则组成，用来描述一个系统在不同输入下所处的各个状态以及状态之间的转移。

在有限状态机中，系统根据当前所处的状态和输入条件来确定下一个要进入的状态。

其中，状态是指系统可能存在的各种状况，而输入条件则触发或影响状态之间的转换。

2.2 基本特性有限状态机具备以下基本特性：首先，它是离散的，即只能处于有限个预定义的状态之一，在每个时间点上只能存在于一个唯一的当前状态。

其次，它具备确定性和非确定性两种形式。

确定性有限状态机（Deterministic Finite State Machine，DFSM）中任意给定一个输入条件和当前状态，则仅存在唯一一种下一个状态；而非确定性有限状态机（Non-deterministic Finite State Machine，NFSM）允许存在多个可能的下一个转移路径。

前端开发中的有限状态机原理与应用实例前端开发是现代软件开发中重要的一环，它负责用户与应用之间的交互界面。

在开发过程中，我们经常面临复杂的用户交互逻辑，为了更好地管理这些逻辑，有限状态机（FSM）成为了前端开发中一个重要的概念。

本文将介绍有限状态机的原理，并以一个应用实例来展示其在前端开发中的应用。

一、有限状态机的基本原理有限状态机是一种数学模型，用来描述对象在各种离散状态之间的转换。

它由一组状态集合、一组输入事件和一组转换规则构成。

在有限状态机中，对象根据输入事件的发生，从当前状态转移到下一个状态。

对于前端开发而言，状态可以是用户界面中的各种情况，例如登录界面的“未登录”和“已登录”状态、表单页面的“填写中”和“提交完成”状态等。

输入事件可以是用户的交互动作，比如点击按钮、输入文本等。

转换规则定义了对象在某个状态下接收到某个输入事件后转移到下一个状态的逻辑。

有限状态机具有以下特点：1. 状态数是有限的；2. 对于同一个状态和输入事件，转移到下一个状态的结果是确定的；3. 有限状态机可以有多个起始状态；4. 有限状态机可以具备不同的结束状态。

二、有限状态机在前端开发中的应用实例为了更好地说明有限状态机在前端开发中的应用，我们以一个简单的表单验证功能为例，来展示有限状态机的实际效果。

假设我们有一个用户注册页面，在用户点击提交按钮后，需要对表单数据进行合法性验证。

我们可以使用有限状态机来管理整个验证流程。

首先，我们可以定义三个状态：“准备中”、“验证中”和“完成”。

初始状态为“准备中”。

用户点击提交按钮后，状态从“准备中”转移到“验证中”状态。

在“验证中”状态下，我们可以进行表单数据的合法性验证操作。

如果验证通过，则状态转移到“完成”状态，并完成表单的提交操作。

如果验证未通过，则状态返回到“准备中”状态。

这个过程可以使用如下的有限状态机图表示：(图中省略)有限状态机的实现可以使用各种编程语言和工具，例如JavaScript中的状态机库xstate。

基于有限状态机的工控系统软件设计 (1)通过分析工控系统的特性，提出采用状态机的思想进行工控软件设计。

详细论述了高速状态机的错步问题以及控制层中状态机的状态划分问题。

结合具体的应用实例，给出了基于状态机的实现方法。

实验表明，采用状态机的设计方法有助于准确描述受控对象的行为，软件的健壮性和可靠性得到显著提高。

1. 引言1.1 工控软件的一般问题工控软件设计可分为基于控制环和基于实时操作系统两大类。

控制环是把各个功能模块连接成首尾相接的环状结构。

其特点为任何一个功能模块都不能出现死循环，甚至循环次数太多的循环语句都应避免出现。

以保证能够在实时意义上尽可能快地遍历各功能模块，从而满足实时多任务的需求。

在各功能模块中一般用状态机来描述模块所处的状态。

而实时操作系统则可以通过一套底层机制根据优先级和各任务状态调度各功能模块。

此时各功能模块就以“任务”作为表现形式。

但是在每个任务内部仍然为一个独立的控制环结构，仍然需要用状态机描述。

本文将结合工程实践论述状态机在工控中的应用，给出通用模型和注意要点。

1.2 有限状态机有限状态机是一种重要的思想方法。

从数学的角度看，它实际是一个五元组M = （I, O, S, δ,λ），其中I，O分别表示输入输出，S为状态向量，δ为次态方程（δ: S×I ->S），表示输出方程（λ: S×I -> O）。

有限状态机从结构体系上有层级状态机，并发状态机等。

层级状态机类似于软件中的子程序调度：更高层的一个状态对应于较低层的一个状态机。

这个高层的状态处于底层状态机的某个状态中。

这个低层状态称为子状态。

与子程序调用受到系统堆栈深度制约不一样，层级状态机可以由开发者根据控制对象的层次性运动规律任意指定深度。

与子程序的目的一样，层级状态机也是为了提高控制软件的模块化程度，降低状态分析的复杂度。

并发状态机偏重于描述状态机的调度。

状态机本身不能实现什么并发功能，并发的实现是通过软件调度的。

基于界面状态有效性的GUI自动测试模型
吴恒山;王金红
【期刊名称】《华中科技大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2004(32)12
【摘要】针对图形用户界面 (GUI)自动功能测试存在的问题 ,提出了一种基于图形用户界面状态有效性的有限自动机 (FSM )测试模型 ,给出了建模方法和测试方法 .该模型不仅能提高测试脚本的重用性 ,而且能够自动产生GUI测试路径和测试输入数据 .
【总页数】3页(P34-36)
【关键词】GUI测试;界面状态;有效性;FSM
【作者】吴恒山;王金红
【作者单位】华中科技大学计算机科学与技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP311.5
【相关文献】
1.基于对象模型的状态模型（用户界面）研究 [J], 杜湘;张国飞
2.基于HFSM模型的GUI自动测试 [J], 姜文君;李建涛
3.基于有限状态机模型的GUI设计及其应用 [J], 吴春波;苏厚勤
4.基于云平台和深度学习的软件GUI自动测试系统 [J], 徐时怀;陆慧娟;叶敏超;严珂;金群;
5.基于云平台和深度学习的软件GUI自动测试系统 [J], 徐时怀;陆慧娟;叶敏超;严珂;金群
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第15卷第4期五邑大学学报（自然科学版） Vol.15 No.4 2001年12月JOURNAL OF WUYI UNIVERSITY (Natural Science Edition) Dec. 2001文章编号：1006-7302（2001）04-0066-05有限状态程序模型及其应用邓志洪1，张治国2（1. 广州瑞达通信技术有限公司，广东广州 510630；2. 中山大学计算机科学系，广东广州 510275）摘要：工程实际中的大部分应用程序都可以用有限状态机来描述. 论文首先提出了一个一般性的有限状态程序模型，即有限状态自动机. 并讨论了基于有限状态模型的程序框架生成和该模型的一些性质. 对于工业中的大多数专用应用程序和嵌入式系统，该模型给出了简洁、直观、统一的规范描述及其开发与维护方法.关键词：有限状态自动机；有限状态程序；有限状态模型中图分类号：TH161 文献标识码：B在目前的许多实际应用中，程序的开发模式通常是针对某个应用问题去开发一个程序. 尽管很多程序是相似的或相近的，但每次也都要进行许多重复工作. 这样的开发模式，浪费大量的人力物力和财力. 针对以上情形，并结合实际工作经验，我们提出了有限状态程序模型. 它是建立在有限状态机的基础上的. 利用这个模型，可以解决工业上的一大类问题，建立一个通用的程序框架，对软件重用和程序自动方面具有一定的意义.有限状态程序模型将程序描述成两个映射f和δ，这两个映射分别用来表示状态转移和消息响应，这种表示具有描述清晰、简化问题、结构明了的特点.有限状态程序模型可以用一个关系表格或一个有限状态迁移图来表示. 这使得程序的自动生成、修改、升级及扩展变得非常简单. 由于我们可以将一个有限状态程序的框架用表格的形式表示出来，所以编程人员只要填入相应的信息，就可以生成一个应用程序. 程序的编制就变成了表格的填写，这样大大简化了编程，而且对编程人员的水平要求也降低了. 程序的修改也只是对该表格的简单修正，使程序的升级和维护变得非常简单. 对于工业中的大多数专用应用程序和嵌入式系统，此模型给出了简洁、直观、统一的规范描述及其开发与维护方法.１ 有限状态程序模型的基本定义　定义１(有限状态程序) 在任何一次运行中，程序p的状态都是有限的，则称该程序是一个有限状态程序. 所有有限状态程序的的集合用F P表示.定义　２（有限状态模型) 一个有限状态程序的有限状态模型P = (S,M,C,δ,,f ).其中，S表示所有程序状态的集合(对应于有限状态机中的状态)；M表示所有消息的集合；C 表示所有处理函数的集合；δ表示状态转换函数的集合，δ：S×C→S；f表示辅助数的集合，第１５卷 第４期 邓志洪等：有限状态程序模型及其应用　67即由状态、消息到处理函数的映射，f : S ×M →C .处理函数C 由状态S 和消息M 确定，即f 是由{ S ×M } 到 C 的映射,而新状态S ` 由当前状态与处理函数C 确定，即δ是由{ S ×C }到S 的映射. 状态转换的逻辑关系如下：即程序从状态S 1到S 2转换的过程可以表示为C = f (S 1，M ) S 2 =δ(S 1，C )定理１　任何一个p ∈F P , 均可由一个M 表示. 证明 从程序状态的有限性，可立即得到结论.定义３ 任何一个程序的有限状态模型都可以由结构为S ×M ×C 和S ×C ×S 的两个关系表格来表示. 由于状态的相关性，这两个表格的结构可以简化为S ×M ×C ×S .２ 基于有限状态模型的程序规范描述　 图　12）交换机执行该命令；3）若成功，则返回成功信息，进入测试状态，否则返回遇忙信息.针对以上问题，我们建立有限状态机模型来解决. 可以用图1表示，其中圆形结点表示状态，而方框中的信息表示消息名称，而有向边则表示状态转换方向. 具体解释如下：五邑大学学报（自然科学版） ２００１年　68状态集： 消息集：处理函数集合：Init:初始状态 Idle:空闲状态Go_Init:初始化消息，通常是开始时发该消息do_nil ：空操作(即不做任何事) do_status ：显示状态 Acc_DN:抓线状态 Go_Idle:置闲do_idle ：返回空闲状态 Test:测试状态 Go_Test:进入测试状态 do_acc ：执行抓线操作 Busy:忙状态 Go_Busy:遇忙 do_rls ：执行放线操作 Continue:继续 do_busy ：返回忙状态 TimeOut:超时 do_test ：进入测试do_init ：初始化简要说明图1的流程，最初状态为Init ，当接收到Go_Init 或Go_Idle 消息时，其状态转变为Idle ，此时，若接收到Go_Test 消息时，其状态将变为Acc_DN 等.在实际的编程时我们将图1转化为状态转换表表 1. 表1描述了所有状态之间转换的关系，也列出了各状态之间转换时所调用的函数名称，这是编程时候用到的，另外，表中的None 消息是图1中没有描述出来的，实际上可以表示为从状态到自身的转换，由于状态没有产生变化，因此，在图上就没有画出来.通过表1，与交换机接口通信的程序设计就变成了这样的状态转换表的设计，只要将该表填好，整个程序也就基本完成了，而不需要针对每一种交换机都专门编写驱动程序，这样大大简化了编程工作量. 另一方面，对编程人员的要求也降低了.上述的交换机接口只是一种较简单的接口，还有更加复杂的接口. 不过，接口的流程是相似的，只是增加更多的状态，同时相应的转换关系也更复杂而已.３ 基于有限状态模型的程序框架生成　对于任一个能用有限状态模型来描述的程序，均可以转化成一张S ×M ×C ×S 的表来描述，因此，我们可以根据这种表建立一个通用的程序框架，该程序框架可以处理任意能用有限状态模型来描述的程序，从而实现程序的自动生成. 以下对程序框架的实现进行简单说明.表１ 状态转换表　S M C S ` Init None do_nil Init Init Go_Status do_status Init Init Go_Init do_init Idle Init Go_Idle do_idle Idle Idle None do_nil Idle Idle Go_Status do_status Idle Idle Go_Init do_init Idle Idle Go_Idle do_idle Idle Idle Go_Test do_acc Acc_Dn Acc_Dn None do_nil Acc_Dn Acc_Dn Go_Status do_status Acc_Dn Acc_Dn Go_Init do_init Idle Acc_Dn Go_Idle do_rls Idle Acc_Dn Go_Busy do_busy Busy Acc_Dn Continue do_test Test Acc_Dn Time_Out do_busy Busy Test None da_nil Test Test Go_Status do_status Test Test Go_Init do_init Idle Test Go_Idle do_rls Idle Test Go_Test do_ack Test Busy None do_nil Busy Busy Go_Status do_status Busy Busy Go_Init do_init Idle BusyGo_Idledo_rlsIdle第１５卷 第４期 邓志洪等：有限状态程序模型及其应用　69首先，程序框架中预先设定状态和消息的结构，由编程人员按需要进行加入；其次，设定状态转换表，由编程人员填写该表，程序框架中只是根据当前状态、接收到的消息进行判断，从而选择处理函数，并转换到下一状态；第三，对于每个程序来说，所有处理函数可能是不同的，需由编程人员重新编写.利用这个程序框架，要生成一个新的程序，只需要确定好所有的状态、消息，填写好状态转换表，编写处理函数，以上几点完成了，一个新的程序也就生成了.４ 基于有限状态模型的程序升级　利用有限状态程序模型，我们对其下列性质进行讨论：1）处理函数的升级，是指模型当中的状态数S、消息数M均不变，只是处理函数C发生改变，整个程序逻辑结构不变.2）消息的增减，是指消息数M变化，状态数S保持不变，这样也会引起处理函数C发生改变，整个程序逻辑结构基本不变.3）状态的分解，是指状态数S发生变化，这样也会引起消息数M和处理函数C发生改变，但整个程序逻辑结构变化不大.以上3种情况全都不需要对程序的整体框架进行修改.而框架的修正，是指整个程序逻辑结构发生了变化，有可能引起状态数S、消息数M和处理函数C均发生改变，这种改变比较复杂，但原来表格的变化不大.５ 结语　综上所述，有限状态程序模型具有以下优点：有限状态程序模型将程序描述成两个映射f和δ，这样具有描述清晰的优点. 通过这个模型，使原本复杂的问题变得简单、清晰，结构更加明了.用这种模型设计出来的程序易于修改、升级及扩展. 特别是对于工业中的大多数专用应用程序和嵌入式方法，此模型给出了简洁、直观、统一的规范描述及其开发与维护方法.利用有限状态程序模型，我们可以制作一个程序框架，该程序框架以表格形式将当前状态、消息、转换函数、下一状态及其关系提供出来，由编程人员将这些信息填入，从而生成一个程序. 这就是基于有限状态程序模型的程序自动生成器. 利用它，程序的编制就变成了表格的填写，这样大大简化了编程，而且对编程人员的要求也降低了.同时，有限状态程序模型也存在一些局限性，对于一些状态较复杂或状态不确定的程序，如递归程序就不适用，然而，在实际当中，大多数应用没有过于复杂的计算性，具有有限的程序状态，程序计算有较简单的规则性，因此，有限状态程序模型还是相当有用的.参考文献：[1] Hopcroft J.E., D.Ullman, Introduction to Automata Theory, Languages and Computation, Addison-Weslaypublishing Co. 1979[2] David Gibson , “Finite State Machines Making simple work of complex functions，[EB/OL]http://www.micro-/tips/fsm/fsmartcl.htm五邑大学学报（自然科学版） ２００１年　70A Finite State Program Model and Its ApplicationsDENG Zhi-hong 1，ZHANG Zhi-guo2(1. Guangzhou RELTEC Communication Technology Co.,Ltd Guangzhou 510630, China; 2.Dept of ComputerScience, ZhongShan University Guangzhou 510275, China)Abstract：most of the applications in practice of industry can be presented as finite state machines. This paper put forward a general finite state program model-that is finite state auto-machine. The program frame formation and the features of finite state model are discussed here. Therefore as to most special applied program and embedded system in industry, this model presents a precise, direct and unified principle with its development and maintainance.Key words: finite state machine; finite state program; finite state model。