专利名称：智能数显仪表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种显示仪表，特别时一种高密度LED环行光带与数码显示相结合的、可直接数字通讯和4～20mA标准电流输入的智能化显示仪表。
背景技术：
显示仪表用于指示监控系统中的相关参数值，以利于操作者观察。传统显示仪表大多采用单一的指针式、数码管或直线光带显示方式。指针式仪表直观，但精度与分辨率较低，难以实现多量程段显示，且抗振能力差；数码管显示仪表分辨率高，但不利于远距离观察，特别是在一个屏面设置多个数码显示仪表时效果更差；直线光带因受仪表尺寸限制，其显示段数一般在100以下，故精度与分辨率均不高。此外，传统显示仪表都以模拟信号作为传输信号，精度低，易受电磁干扰影响。传统显示仪表一般无数字信号处理能力，故只能被动地、简单地指示输入的信号值，没有校验、分程显示和非线性处理等功能，更无数字通讯能力。
发明内容
本发明的目的是改变现有显示仪表的显示形式和数据通讯方式，提供一种基于微控制器的、具有CAN现场总线通讯和4～20mA标准电流输入的智能数显仪表，用于实现高精度的LED环型光带与数字的显示。
为达到上述目的，本发明采用基于单片微控制器控制的高密度LED环行光带和数码显示相结合方法可弥补传统显示仪表的不足之处，利用LED环型光带不仅可获得优于指针式仪表的显示效果，并且显示段数多达240，从而使显示分辨率达到0.5％以上，保留数码显示有利于正确读数，更为重要的是采用CAN现场总线通讯，用一条CAN通讯线就可把多台显示仪表连接在一起，从而节省并简化了连线，同时提高了精度和可靠性，拓展了显示仪表在数字化领域中的应用。
本发明智能数显仪表包含CAN通讯及其接口1；CAN用户接口2；4～20mA模拟量显示数据采集3；数据滤波4；在线校验与补偿5；定标处理6；仪表特征值数据库7；非线性校正8；双色七段数码管显示控制9；三位双色七段数码管10分程显示处理11；弧形光带显示控制12；200/240段LED弧形光带13；矩阵扫描控制14；可控恒流源驱动15与调光控制16等固定模块和控制电路。仪表特征值数据库7存放不同品种显示仪表自身的固有特征值，仪表运行时，微控制器根据特征值控制上述模块运行。
在全数字化系统应用中，智能数显仪表通过CAN通讯接口接受所需显示的数字信号，以简化连线，节省系统成本，提高仪表精度和可靠性。智能数显仪表中的微控制器通过CAN通讯接口与具有CAN通讯的显示信号发讯装置实现信息交换。而在模拟信号传输系统应用中，智能数显仪表接受4～20mA的模拟量显示信号，利用微控制器自带的ADC实现数据采集，并通过软件数字滤波处理和在线自动零位与满量程校验得到纯净的数字显示信号。
通过CAN通讯接口或是由模拟量输入通道获得的数字显示信号再经过定标、非线性校正、分程显示等数字信号处理，然后用微控制器自带的少量IO口线，采用扫描矩阵实现多达240段LED和3位双色七段数码管的显示控制，LED与数码管的驱动采用可控恒流源驱动，改善了因LED起辉电压不一致造成的亮度差异，通过调节可控恒流源控制信号大小来调节LED环形光带、三位七段数码管以及刻度背光的光照度，可以适应白日和夜航等不同的需求。
本发明智能数显仪表的主要优点有1)本发明采用微控制器控制下的固定模块结构与仪表特征值数据库相结合的方法，极大地简化了特种显示仪表的生产过程，灵活性大，运行成本低，有利于多品种仪表的批量生产，以及曰后的维护保养的一致性和通用性。
2)本发明采用的高密度LED环行光带与数码显示相结合的显示方法，不仅可获得优于指针式仪表的显示效果，便于正确读数，显示分辨率高，并且不受外部加速力影响。
3)本发明采用的CAN现场总线通讯用一条双绞线就可把多台显示仪表连接在一起，简化了连线，节省了仪表与系统通讯和运行成本，提高了仪表的精度和可靠性，拓展了显示仪表在数字化领域中的应用。保留4～20mA标准电流输入用于与常规显示仪表兼容，拓展其应用领域。
4)本发明采用的在线自动零位与满刻度校验，方便了显示仪表的零位与满刻度调整，减小了仪表的系统误差。
5)本发明采用的温漂自动补偿和非线性校正，提高了仪表的精度和稳定性。
6)本发明采用的分程显示方法，解决了显示精度与显示范围之间的矛盾。
图1是本发明的结构和控制示意图。
图2是本发明的信号处理流程图。
具体实施例方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。
参见图1，仪表运行时，在微控制器控制下程序首先加载仪表特征值数据库7，确定仪表选用4-20mA电流输入还是CAN通讯模式。如选用CAN通讯模式，程序从CAN通讯接口1直接读取数字显示信号，并通过CAN用户接口2获得。而当仪表选用4-20mA电流输入模式，则根据仪表特征值数据库7中的预设数据先后进行显示数据采集3和输入数据滤波4读取所需显示的信号。校验与补偿5用于对输入信号的温漂自动补偿、越值鉴别和出错处理以及在线自动零位和满量程校验，以获得纯净的数字显示信号。随后对已获得的数字显示信号进行定标处理6和非线性校正8，以获取数字显示值，并通过双色七段数码管显示控制9来控制三位双色七段数码管10显示。与此同时，数字显示值由分程显示处理11分程后，通过弧型光带显示控制12控制200/240段LED弧型光带13。LED弧型光带13与三位双色七段数码管10显示均采用动态扫描显示模式，由矩阵扫描控制14通过可控恒流源驱动15实现。外部调光信号经调光控制16来调整可控恒流源15的驱动电流，从而来调节LED弧型光带13、三位双色七段数码管10和仪表背光的亮度。
所说的仪表特征值数据库7用于表征不同品种显示仪表的特征和仪表自身的固有特性。本发明采用模块式结构体系，通过CAN通讯或JATG仿真接口修改仪表特征值数据库7中的数据，可适应各种显示仪表，仪表特征值数据库存放在EEPROM中。
为获得不同性质的模拟量数据采集，首先根据仪表特征值数据库7中的输入通道数、采样周期及连续采样次数对所需显示的输入信号进行数据采集，然后对其进行数字滤波。采用两级滤波——去极值滑动平均滤波和低通滤波，其中平均值级数和低通滤波时间常数，以及是否需去极值，是否需低通滤波等均由仪表特征值数据库7中数据决定。
为提高仪表的显示精度和稳定性，本发明采用温漂自动补偿、零位与满刻度自动调整、以及输入回路故障判别。温漂自动补偿利用对基准值的定时采集，获取其温漂系数予以补偿。零位与满刻度自动调整采用标准零位(4mA)和满刻度(20mA)信号的实际数据采集值与期望的零位值和满刻度值之间差值，进行相应的零位偏移和增益补偿，并将校验值存于仪表特征值数据库中。输入回路故障判别采用输入信号采集数据的越值鉴别方法，对所采集到的数据小于对应4mA时的采集值(如50)或大于20mA时的采集值(950)均被认为故障，经出错处理后，一方面在仪表的数码管上以闪光方式予以指示，另一方面通过CAN通讯将出错信号传送给上位机。
设置CAN通讯的目的主要解决仪表的实时数字通讯。数字显示信号可直接通过CAN通讯获得，相同显示参数的数显仪表和不同显示参数的数显仪表都挂接在同一条CAN通讯线上，各显示仪表则根据仪表特征值数据库所给出的标识符号获取数字显示信号，解决了同一个参数可在不同场所(如机舱、集控室、驾驶室等处)指示，不同的显示参数可共享一条CAN通讯线，简化了接线，节省了开支。由于采用数字通讯，因此使显示仪表的精度和可靠性都有了大幅度的提高，CAN数字通讯模式的精度优于0.1％。
CAN通讯的另一个目的是可实现显示仪表的在线校验、显示模式修整及出错处理。上位机通过CAN通讯修改仪表特征值数据库中的数据，就可选择数据采样方式和滤波形式，完成零位与满刻度的校验，改变显示模式和显示范围，确定线性校正方法和分程显示状况。为此，解决了批量生产过程中因仪表种类杂散而带来的麻烦，同时增加了产品的灵活性。
所说的定标处理是对数据采集或CAN通讯获得的显示数据按仪表特征值数据库中的显示范围和单位量纲进行计算，以得到相应的显示值，同时确定其显示模式和零点位置。显示模式包括单向显示模式和正负双向显示模式。
所说的非线性校正是对定标处理后的显示值按仪表特征值数据库中的相关数据进行线性补偿、对数运算、开方运算、查表校正等，进一步优化显示值。
所说的分程显示处理用于弧型光带的指示方式选择和分程显示控制。弧型光带的指示方式包括带状显示方式、点状显示方式和越限闪烁显示方式。分程显示是把整个弧型光带分成多个显示段，每一显示段都有各自的显示分辨率，这样就可解决显示量程范围与显示精度之间的矛盾。在本发明中，分程显示的显示段划分，以及各显示段的显示分辨率均通过修改仪表特征值数据库中的相关数据来选择。
参见图2，本发明智能数显仪表开机通电后，在微处理器控制下，装载仪表特征值，确定仪表选用何种输入方式，如选用CAN通讯模式，程序从CAN通讯口读取数字显示信号，如选用4～20mA电流输入模式，则根据仪表特征值数据库中预设数据先后进行显示数据采集和数据滤波→温度补偿运算→越值鉴别及出错处理→零位与满刻度校正。此后的信号处理是统一进行→线性补偿、对数运算、开方运算→计算实际数码指示值→数码指示。在计算实际数码指示值同时→确定分段数和各段分辨率→计算光带位置值→光带指示。
智能数显仪表的制作过程如下1.完成仪表硬件制作及调试；2.把模块结构软件代码装入FLASH ROOM；3.开启计算机，运行仪表专用组态程序，以填表方式按不同仪表要求输入相应数据；4.生成仪表特征值数据库，并写入仪表的EEPROM；进入校正界面，按提示输入标准信号，自动完成零位、满刻度以及非线性校正。
权利要求
1.一种基于单片微控制器控制的具有CAN现场总线通讯和4～20mA标准电流输入、实现高精度的LED环型光带与数字显示的智能数显仪表，该智能数显仪表具有数字显示信号接受模块，当仪表选用CAN通讯模式时，从CAN通讯接口(1)直接读取数字显字信号，并通过CAN用户接口(2)获得数字显示信号；当仪表选用4～20mA电流模式时，从显示数字采集(3)和输入数据滤波(4)读取所需显示的信号，再通过校验与补偿(5)对输入信号的温漂自动补偿、越值鉴别和出错处理以及在线自动零位和满量程校验，以获得纯净的数字显示信号；数字信号处理模块，上述获得的数字显示信号馈送至定标处理(6)和非线性校正(8)，以获取数字显示值，该数字显示值经分程显示处理(11)处理，或直接送至显示控制模块和控制电路；数字信号显示模块和控制电路，它将上述数字显示值馈送至双色七段数码管显示控制(9)，由三位双色七段数码管10进行显示，同时将分程显示处理(11)分程后数字显示值经弧型光带显示控制(12)，由200/240段LED弧型光带(13)进行显示，其特征在于三位七段数码管(10)与LED弧型光带(13)的显示均采用动态扫描显示模式，由矩阵扫描控制(14)通过可控恒流驱动电路(15)实现，外部调光信号经调光控制电路(16)来调整可控恒流源(15)的驱动电流，从而来调节LED弧型光带(13)、三位双色七段数码管(10)和仪表背光的亮度。
2.根据权利要求1所述的智能数显仪表，其特征在于微控制器根据仪表特征值数据库(7)存放的特征值数据控制上述模块运行，实现多品种仪表的生产，维护保养的一致性和通用性。
3.根据权利要求1、2所述的智能数显仪表，其特征在于a.通过CAN通讯或JATG仿真接口修改仪表特征值数据库(7)中的数据，以适应各种显示仪表；b.仪表特征值数据库(7)存放在EEPROM中。
全文摘要
本发明提供了一种基于单片微控制器控制的智能数显仪表，其特点是通过CAN通讯接口或是由模拟量输入通道获得的数字显示信号，经过在线校验补偿定标，非线性校正，分程显示等数字信号处理，采用扫描矩阵控制，实现多达240段的高精度LED环形光带和3位双色七段数码管的显示。该仪表具有精度高，稳定性好，全数字化突出优点，同时该仪表所采用的固定模块结构与仪表特征值数据库相结合的控制方法，提高了仪表灵活性，简化了生产过程，有利于多品种仪表的批量生产，极大地节省了仪表与系统通讯的运行成本，拓展了显示仪表在数字化领域中的应用，是显示仪表的重大技术进步。
文档编号G01D7/02GK1937092SQ20051002983
公开日2007年3月28日 申请日期2005年9月21日 优先权日2005年9月21日
发明者黄学武, 郑华耀, 黄瑾 申请人:上海海事大学