專利名稱：智能數顯儀表的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種顯示儀表，特別時一種高密度LED環行光帶與數碼顯示相結合的、可直接數字通訊和4～20mA標準電流輸入的智能化顯示儀表。
背景技術：
顯示儀表用于指示監控系統中的相關參數值，以利于操作者觀察。傳統顯示儀表大多采用單一的指針式、數碼管或直線光帶顯示方式。指針式儀表直觀，但精度與分辨率較低，難以實現多量程段顯示，且抗振能力差；數碼管顯示儀表分辨率高，但不利于遠距離觀察，特別是在一個屏面設置多個數碼顯示儀表時效果更差；直線光帶因受儀表尺寸限制，其顯示段數一般在100以下，故精度與分辨率均不高。此外，傳統顯示儀表都以模擬信號作為傳輸信號，精度低，易受電磁干擾影響。傳統顯示儀表一般無數字信號處理能力，故只能被動地、簡單地指示輸入的信號值，沒有校驗、分程顯示和非線性處理等功能，更無數字通訊能力。
發明內容
本發明的目的是改變現有顯示儀表的顯示形式和數據通訊方式，提供一種基于微控制器的、具有CAN現場總線通訊和4～20mA標準電流輸入的智能數顯儀表，用于實現高精度的LED環型光帶與數字的顯示。
為達到上述目的，本發明采用基于單片微控制器控制的高密度LED環行光帶和數碼顯示相結合方法可彌補傳統顯示儀表的不足之處，利用LED環型光帶不僅可獲得優于指針式儀表的顯示效果，并且顯示段數多達240，從而使顯示分辨率達到0.5％以上，保留數碼顯示有利于正確讀數，更為重要的是采用CAN現場總線通訊，用一條CAN通訊線就可把多臺顯示儀表連接在一起，從而節省并簡化了連線，同時提高了精度和可靠性，拓展了顯示儀表在數字化領域中的應用。
本發明智能數顯儀表包含CAN通訊及其接口1；CAN用戶接口2；4～20mA模擬量顯示數據采集3；數據濾波4；在線校驗與補償5；定標處理6；儀表特征值數據庫7；非線性校正8；雙色七段數碼管顯示控制9；三位雙色七段數碼管10分程顯示處理11；弧形光帶顯示控制12；200/240段LED弧形光帶13；矩陣掃描控制14；可控恒流源驅動15與調光控制16等固定模塊和控制電路。儀表特征值數據庫7存放不同品種顯示儀表自身的固有特征值，儀表運行時，微控制器根據特征值控制上述模塊運行。
在全數字化系統應用中，智能數顯儀表通過CAN通訊接口接受所需顯示的數字信號，以簡化連線，節省系統成本，提高儀表精度和可靠性。智能數顯儀表中的微控制器通過CAN通訊接口與具有CAN通訊的顯示信號發訊裝置實現信息交換。而在模擬信號傳輸系統應用中，智能數顯儀表接受4～20mA的模擬量顯示信號，利用微控制器自帶的ADC實現數據采集，并通過軟件數字濾波處理和在線自動零位與滿量程校驗得到純凈的數字顯示信號。
通過CAN通訊接口或是由模擬量輸入通道獲得的數字顯示信號再經過定標、非線性校正、分程顯示等數字信號處理，然后用微控制器自帶的少量IO口線，采用掃描矩陣實現多達240段LED和3位雙色七段數碼管的顯示控制，LED與數碼管的驅動采用可控恒流源驅動，改善了因LED起輝電壓不一致造成的亮度差異，通過調節可控恒流源控制信號大小來調節LED環形光帶、三位七段數碼管以及刻度背光的光照度，可以適應白日和夜航等不同的需求。
本發明智能數顯儀表的主要優點有1)本發明采用微控制器控制下的固定模塊結構與儀表特征值數據庫相結合的方法，極大地簡化了特種顯示儀表的生產過程，靈活性大，運行成本低，有利于多品種儀表的批量生產，以及曰后的維護保養的一致性和通用性。
2)本發明采用的高密度LED環行光帶與數碼顯示相結合的顯示方法，不僅可獲得優于指針式儀表的顯示效果，便于正確讀數，顯示分辨率高，并且不受外部加速力影響。
3)本發明采用的CAN現場總線通訊用一條雙絞線就可把多臺顯示儀表連接在一起，簡化了連線，節省了儀表與系統通訊和運行成本，提高了儀表的精度和可靠性，拓展了顯示儀表在數字化領域中的應用。保留4～20mA標準電流輸入用于與常規顯示儀表兼容，拓展其應用領域。
4)本發明采用的在線自動零位與滿刻度校驗，方便了顯示儀表的零位與滿刻度調整，減小了儀表的系統誤差。
5)本發明采用的溫漂自動補償和非線性校正，提高了儀表的精度和穩定性。
6)本發明采用的分程顯示方法，解決了顯示精度與顯示范圍之間的矛盾。
圖1是本發明的結構和控制示意圖。
圖2是本發明的信號處理流程圖。
具體實施例方式
以下結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。
參見圖1，儀表運行時，在微控制器控制下程序首先加載儀表特征值數據庫7，確定儀表選用4-20mA電流輸入還是CAN通訊模式。如選用CAN通訊模式，程序從CAN通訊接口1直接讀取數字顯示信號，并通過CAN用戶接口2獲得。而當儀表選用4-20mA電流輸入模式，則根據儀表特征值數據庫7中的預設數據先后進行顯示數據采集3和輸入數據濾波4讀取所需顯示的信號。校驗與補償5用于對輸入信號的溫漂自動補償、越值鑒別和出錯處理以及在線自動零位和滿量程校驗，以獲得純凈的數字顯示信號。隨后對已獲得的數字顯示信號進行定標處理6和非線性校正8，以獲取數字顯示值，并通過雙色七段數碼管顯示控制9來控制三位雙色七段數碼管10顯示。與此同時，數字顯示值由分程顯示處理11分程后，通過弧型光帶顯示控制12控制200/240段LED弧型光帶13。LED弧型光帶13與三位雙色七段數碼管10顯示均采用動態掃描顯示模式，由矩陣掃描控制14通過可控恒流源驅動15實現。外部調光信號經調光控制16來調整可控恒流源15的驅動電流，從而來調節LED弧型光帶13、三位雙色七段數碼管10和儀表背光的亮度。
所說的儀表特征值數據庫7用于表征不同品種顯示儀表的特征和儀表自身的固有特性。本發明采用模塊式結構體系，通過CAN通訊或JATG仿真接口修改儀表特征值數據庫7中的數據，可適應各種顯示儀表，儀表特征值數據庫存放在EEPROM中。
為獲得不同性質的模擬量數據采集，首先根據儀表特征值數據庫7中的輸入通道數、采樣周期及連續采樣次數對所需顯示的輸入信號進行數據采集，然后對其進行數字濾波。采用兩級濾波——去極值滑動平均濾波和低通濾波，其中平均值級數和低通濾波時間常數，以及是否需去極值，是否需低通濾波等均由儀表特征值數據庫7中數據決定。
為提高儀表的顯示精度和穩定性，本發明采用溫漂自動補償、零位與滿刻度自動調整、以及輸入回路故障判別。溫漂自動補償利用對基準值的定時采集，獲取其溫漂系數予以補償。零位與滿刻度自動調整采用標準零位(4mA)和滿刻度(20mA)信號的實際數據采集值與期望的零位值和滿刻度值之間差值，進行相應的零位偏移和增益補償，并將校驗值存于儀表特征值數據庫中。輸入回路故障判別采用輸入信號采集數據的越值鑒別方法，對所采集到的數據小于對應4mA時的采集值(如50)或大于20mA時的采集值(950)均被認為故障，經出錯處理后，一方面在儀表的數碼管上以閃光方式予以指示，另一方面通過CAN通訊將出錯信號傳送給上位機。
設置CAN通訊的目的主要解決儀表的實時數字通訊。數字顯示信號可直接通過CAN通訊獲得，相同顯示參數的數顯儀表和不同顯示參數的數顯儀表都掛接在同一條CAN通訊線上，各顯示儀表則根據儀表特征值數據庫所給出的標識符號獲取數字顯示信號，解決了同一個參數可在不同場所(如機艙、集控室、駕駛室等處)指示，不同的顯示參數可共享一條CAN通訊線，簡化了接線，節省了開支。由于采用數字通訊，因此使顯示儀表的精度和可靠性都有了大幅度的提高，CAN數字通訊模式的精度優于0.1％。
CAN通訊的另一個目的是可實現顯示儀表的在線校驗、顯示模式修整及出錯處理。上位機通過CAN通訊修改儀表特征值數據庫中的數據，就可選擇數據采樣方式和濾波形式，完成零位與滿刻度的校驗，改變顯示模式和顯示范圍，確定線性校正方法和分程顯示狀況。為此，解決了批量生產過程中因儀表種類雜散而帶來的麻煩，同時增加了產品的靈活性。
所說的定標處理是對數據采集或CAN通訊獲得的顯示數據按儀表特征值數據庫中的顯示范圍和單位量綱進行計算，以得到相應的顯示值，同時確定其顯示模式和零點位置。顯示模式包括單向顯示模式和正負雙向顯示模式。
所說的非線性校正是對定標處理后的顯示值按儀表特征值數據庫中的相關數據進行線性補償、對數運算、開方運算、查表校正等，進一步優化顯示值。
所說的分程顯示處理用于弧型光帶的指示方式選擇和分程顯示控制。弧型光帶的指示方式包括帶狀顯示方式、點狀顯示方式和越限閃爍顯示方式。分程顯示是把整個弧型光帶分成多個顯示段，每一顯示段都有各自的顯示分辨率，這樣就可解決顯示量程范圍與顯示精度之間的矛盾。在本發明中，分程顯示的顯示段劃分，以及各顯示段的顯示分辨率均通過修改儀表特征值數據庫中的相關數據來選擇。
參見圖2，本發明智能數顯儀表開機通電后，在微處理器控制下，裝載儀表特征值，確定儀表選用何種輸入方式，如選用CAN通訊模式，程序從CAN通訊口讀取數字顯示信號，如選用4～20mA電流輸入模式，則根據儀表特征值數據庫中預設數據先后進行顯示數據采集和數據濾波→溫度補償運算→越值鑒別及出錯處理→零位與滿刻度校正。此后的信號處理是統一進行→線性補償、對數運算、開方運算→計算實際數碼指示值→數碼指示。在計算實際數碼指示值同時→確定分段數和各段分辨率→計算光帶位置值→光帶指示。
智能數顯儀表的制作過程如下1.完成儀表硬件制作及調試；2.把模塊結構軟件代碼裝入FLASH ROOM；3.開啟計算機，運行儀表專用組態程序，以填表方式按不同儀表要求輸入相應數據；4.生成儀表特征值數據庫，并寫入儀表的EEPROM；進入校正界面，按提示輸入標準信號，自動完成零位、滿刻度以及非線性校正。
權利要求
1.一種基于單片微控制器控制的具有CAN現場總線通訊和4～20mA標準電流輸入、實現高精度的LED環型光帶與數字顯示的智能數顯儀表，該智能數顯儀表具有數字顯示信號接受模塊，當儀表選用CAN通訊模式時，從CAN通訊接口(1)直接讀取數字顯字信號，并通過CAN用戶接口(2)獲得數字顯示信號；當儀表選用4～20mA電流模式時，從顯示數字采集(3)和輸入數據濾波(4)讀取所需顯示的信號，再通過校驗與補償(5)對輸入信號的溫漂自動補償、越值鑒別和出錯處理以及在線自動零位和滿量程校驗，以獲得純凈的數字顯示信號；數字信號處理模塊，上述獲得的數字顯示信號饋送至定標處理(6)和非線性校正(8)，以獲取數字顯示值，該數字顯示值經分程顯示處理(11)處理，或直接送至顯示控制模塊和控制電路；數字信號顯示模塊和控制電路，它將上述數字顯示值饋送至雙色七段數碼管顯示控制(9)，由三位雙色七段數碼管10進行顯示，同時將分程顯示處理(11)分程后數字顯示值經弧型光帶顯示控制(12)，由200/240段LED弧型光帶(13)進行顯示，其特征在于三位七段數碼管(10)與LED弧型光帶(13)的顯示均采用動態掃描顯示模式，由矩陣掃描控制(14)通過可控恒流驅動電路(15)實現，外部調光信號經調光控制電路(16)來調整可控恒流源(15)的驅動電流，從而來調節LED弧型光帶(13)、三位雙色七段數碼管(10)和儀表背光的亮度。
2.根據權利要求1所述的智能數顯儀表，其特征在于微控制器根據儀表特征值數據庫(7)存放的特征值數據控制上述模塊運行，實現多品種儀表的生產，維護保養的一致性和通用性。
3.根據權利要求1、2所述的智能數顯儀表，其特征在于a.通過CAN通訊或JATG仿真接口修改儀表特征值數據庫(7)中的數據，以適應各種顯示儀表；b.儀表特征值數據庫(7)存放在EEPROM中。
全文摘要
本發明提供了一種基于單片微控制器控制的智能數顯儀表，其特點是通過CAN通訊接口或是由模擬量輸入通道獲得的數字顯示信號，經過在線校驗補償定標，非線性校正，分程顯示等數字信號處理，采用掃描矩陣控制，實現多達240段的高精度LED環形光帶和3位雙色七段數碼管的顯示。該儀表具有精度高，穩定性好，全數字化突出優點，同時該儀表所采用的固定模塊結構與儀表特征值數據庫相結合的控制方法，提高了儀表靈活性，簡化了生產過程，有利于多品種儀表的批量生產，極大地節省了儀表與系統通訊的運行成本，拓展了顯示儀表在數字化領域中的應用，是顯示儀表的重大技術進步。
文檔編號G01D7/02GK1937092SQ20051002983
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月21日 優先權日2005年9月21日
發明者黃學武, 鄭華耀, 黃瑾 申請人:上海海事大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
