數(shù)字化隨機(jī)函數(shù)在壓力采集測(cè)試中的應(yīng)用

黃 莉，李晨韻

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

在對(duì)壓力傳感器及壓力儀表的采集測(cè)試中，不同激勵(lì)方式下，傳感器響應(yīng)特性曲線各不相同。為了更好地模擬和測(cè)試出壓力儀表的計(jì)量特性，應(yīng)用數(shù)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)將壓力激勵(lì)和壓力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，以更好地實(shí)現(xiàn)壓力傳感器及相關(guān)儀表的采集測(cè)試[1,2]。

1 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生

信號(hào)與信息處理時(shí)利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信息進(jìn)行變換、分析、綜合、濾波、估計(jì)、識(shí)別等加工處理，以達(dá)到提取信息和便于利用的目的。由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而20多年來(lái)在語(yǔ)音、圖像、通信、雷達(dá)、聲吶、自動(dòng)控制、地震勘探、生物醫(yī)學(xué)、遙感測(cè)控、振動(dòng)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這里是將數(shù)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用在壓力采集測(cè)試中[3]。

均勻分布隨機(jī)數(shù)、正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)、指數(shù)分布隨機(jī)數(shù)、拉普拉斯分布隨機(jī)數(shù)、瑞利分布隨機(jī)數(shù)、對(duì)數(shù)正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)、柯西分布隨機(jī)數(shù)、韋伯分布隨機(jī)數(shù)、愛(ài)爾朗分布隨機(jī)數(shù)、貝努里分布隨機(jī)數(shù)、貝努里高斯分布隨機(jī)數(shù)、二項(xiàng)式分布隨機(jī)數(shù)、泊松分布隨機(jī)數(shù)。

均勻分布的概率密度函數(shù)為：

正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為：

其中，μ是均值；σ2是方差。正態(tài)分布也稱(chēng)為高斯分布。類(lèi)似上述兩種隨機(jī)函數(shù)，將所有的隨機(jī)數(shù)函數(shù)進(jìn)行組合并進(jìn)行曲線顯示，得到圖1。

圖1 多種隨機(jī)函數(shù)的曲線接口圖Fig.1 Curve interface diagram of various random functions

2 曲線波形控件

2.1 控件設(shè)置

曲線/波形控件是串口屏諸多功能控件里面的其中一個(gè)，用于在串口屏上顯示波形或者曲線。在USART HMI軟件左側(cè)工具箱里面，該控件涉及到指令為add指令、cle指令、addt指令。曲線/波形控件只能在當(dāng)前頁(yè)面添加數(shù)據(jù)點(diǎn)。例如，命令randset 0, 255 add 1,0,rand add 1,1,255 add 1,2,100，randset指令是隨機(jī)數(shù)范圍設(shè)置。通過(guò)add指令是給曲線添加點(diǎn)，該工程是用定時(shí)器設(shè)定一定時(shí)間，每隔一段時(shí)間給3個(gè)信道曲線添加一個(gè)點(diǎn)。曲線一是添加隨機(jī)值，曲線二是添加固定值255，曲線三是添加固定值100。串口屏所有控件操作的實(shí)質(zhì)都是對(duì)屬性的修改。曲線/波形控件具有的屬性，用戶可以隨時(shí)調(diào)整、編輯列表中的屬性參數(shù)。其中，type和id屬性由開(kāi)發(fā)環(huán)境指定，用戶不可修改。id可通過(guò)軟件左上方置頂置底間接修改。曲線波形控件屬性列表，可以在設(shè)備運(yùn)行中隨時(shí)讀取。sys0=s0.id將數(shù)據(jù)記錄控件s0的id號(hào)賦值給sys0變數(shù)，s0.x+=10將控件在屏幕上的位置向右移動(dòng)10個(gè)像素點(diǎn)。prints s0.gdc,0將s0的網(wǎng)格顏色從串口發(fā)送出去，objname屬性不可以讀取。比如，在事件代碼中寫(xiě)"t0.txt=s0.objname"編譯將報(bào)錯(cuò)，其中所有綠色控件可以在運(yùn)行中實(shí)時(shí)修改。

2.2 基本屬性

曲線波形的x，y屬性描述控件在屏幕上的像素坐標(biāo)位置。以屏幕左上角為觸摸屏像素坐標(biāo)原點(diǎn)（x=0，y=0）。x，y屬性只能從0～最大分辨率，不能超出屏幕顯示區(qū)域。如果x，y屬性可以超出屏幕坐標(biāo)范圍（-6000～+6000），但是超出屏幕將被裁減，不會(huì)顯示出來(lái)。研發(fā)人員如果想做一個(gè)控件，但是不想讓使用者看到、觸摸到，可以把該控件放在屏幕顯示區(qū)域以外。開(kāi)發(fā)人員使用的時(shí)候，使用click指令，或者綁定用戶IO。w，h屬性描述控件在屏幕上的寬度和高度。w，h屬性只能從0～最大分辨率，不能超出屏幕顯示區(qū)域。x+w，y+h的值可以超出屏幕坐標(biāo)范圍，但是超出屏幕將被裁減，不會(huì)顯示出來(lái)。gdc屬性，網(wǎng)格顏色，RGB565的顏色值，僅當(dāng)sta=單色時(shí)，才存在該屬性。bco屬性，控件背景色屬性，RGB565的顏色值，僅當(dāng)sta=單色時(shí)，才存在該屬性。pic屬性，控件背景圖片屬性，選擇控件背景圖片的ID號(hào)，僅當(dāng)sta=圖片時(shí)，才存在該屬性。picc屬性，控件背景切圖圖片屬性，選擇控件背景切圖圖片的ID號(hào)，僅當(dāng)sta=切圖時(shí)，才存在該屬性。選擇的被切圖圖片尺寸必須等于對(duì)應(yīng)串口屏的分辨率，否則，可能會(huì)導(dǎo)致顯示花屏。sta屬性，背景填充方式屬性[4-6]。

2.3 繪圖屬性

支持4種背景方式：①切圖，從指定與串口屏分辨率相同的全屏圖片上，自動(dòng)竊取控件窗口區(qū)域的圖片內(nèi)容作為控件背景；②單色，指定單一的RGB565顏色值作為控件背景；③圖片，用戶指定一張圖片作為控件的背景；④透明，即無(wú)背景，以透明的方式直接在控件區(qū)域?qū)懽址畔?。time屬性，控件特效運(yùn)行時(shí)間屬性。effect設(shè)置不為0以后，才存在該屬性。當(dāng)設(shè)置了控件的加載特效以后，控件在time的時(shí)間內(nèi)，以設(shè)置的特效方式飛到控件所在屏幕的坐標(biāo)位置。first屬性，控件加載特效的優(yōu)先級(jí)屬性。effect設(shè)置不為0以后，才存在該屬性。first可設(shè)置的值為0～100，支持多個(gè)有特效的控件為同一級(jí)別優(yōu)先級(jí)。同一優(yōu)先級(jí)的控件，將在同時(shí)被加載到屏幕上顯示。不同的優(yōu)先級(jí)中，將根據(jù)設(shè)置值從大到小依次完成載入。effect屬性，控件加載特效屬性，一共支持9種效果，僅X系列支持該屬性。0-立即載入；1-上邊飛入；2-下邊飛入；3-左邊飛入；4-右邊飛入；5-左上角飛入；6-右上角飛入；7-左下角飛入；8-右下角飛入。aph屬性，控件半透明屬性。aph可設(shè)置的值范圍為0～127 。為0時(shí)控件將全透明（效果為不顯示），為127時(shí)全顯示（沒(méi)有半透明效果）。drag屬性，控件運(yùn)行過(guò)程中是否支持拖動(dòng)屬性。vscope屬性，控件內(nèi)存占用屬性，控件支持私有和全局屬性。當(dāng)設(shè)置為全局時(shí)，控件分配的內(nèi)存在所有頁(yè)面都可以訪問(wèn)。離開(kāi)當(dāng)前頁(yè)面后，控件屬性數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，缺點(diǎn)是占用系統(tǒng)總內(nèi)存。objname屬性，控件名稱(chēng)屬性，該屬性在運(yùn)行中不能獲取。id屬性，控件id是每個(gè)控件在當(dāng)前頁(yè)面的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，由系統(tǒng)分配，不可修改，可通過(guò)軟件左上角置頂置底間接修改。type屬性，控件類(lèi)型屬性。由系統(tǒng)分別固定數(shù)據(jù)，比如曲線/波形控件屬性為0。disup屬性，產(chǎn)生拖動(dòng)后是否禁用彈起事件：0-否；1-是。默認(rèn)為否，即拖動(dòng)的時(shí)候是會(huì)觸發(fā)彈起事件。僅當(dāng)drag=是時(shí)，才存在該屬性。dir屬性，平推方向：0-從左往右；1-從右往左；2-靠右對(duì)齊。設(shè)置靠右對(duì)齊曲線/波形圖才會(huì)從右往左開(kāi)始打點(diǎn)；設(shè)置從右往左，是從右邊開(kāi)始打點(diǎn)，曲線從左往右不斷打點(diǎn)。ch屬性，信道數(shù)量（最小1，最大4）：1-0；2-1；3-2；4-3。gdw屬性，網(wǎng)格寬度，0為無(wú)網(wǎng)格。gdh屬性，網(wǎng)格高度，0為無(wú)網(wǎng)格。pco0屬性，通道0前景色。pco1屬性，通道1前景色，當(dāng)ch的值大于1的時(shí)候存在。pco2屬性，通道2前景色，當(dāng)ch的值大于2的時(shí)候存在。pco3屬性，通道3前景色，當(dāng)ch的值大于3的時(shí)候存在。dis屬性，數(shù)據(jù)縮放百分比（最小10，最大1000）。disup屬性，產(chǎn)生拖動(dòng)后是否禁用彈起事件：0-否；1-是。默認(rèn)為否，即拖動(dòng)的時(shí)候是會(huì)觸發(fā)彈起事件。僅當(dāng)drag=是時(shí)，才存在該屬性[7,8]。

3 創(chuàng)建調(diào)試

3.1 觸摸屏設(shè)置

圖2 觸摸屏曲線接口圖Fig.2 Touch screen curve interface diagram

打開(kāi)一個(gè)新的空白接口，點(diǎn)擊左側(cè)<工具箱>里面的<文本>按鈕，當(dāng)前頁(yè)面出現(xiàn)一個(gè)文本框，創(chuàng)建了一個(gè)文本控件，現(xiàn)在編輯文本控件的外觀（顯示效果）。調(diào)整位置和尺寸，將文本控件移置顯示區(qū)中心位置，并調(diào)大到能放下。新添加上“文本控件”預(yù)覽II.擺放到指定位置并調(diào)整到需要尺寸預(yù)覽，移動(dòng)位置：鼠標(biāo)選中控件，拖到需要擺放的位置。重設(shè)大小：鼠標(biāo)指針選中控件的任意一條邊，或任意一個(gè)角，拖動(dòng)即可重設(shè)大小。如果不想使用鼠標(biāo)，也可以通過(guò)修改屬性列表中的“x、y坐標(biāo)”來(lái)調(diào)整位置，修改屬性列表中的“寬度和高度”來(lái)重設(shè)大小。文本控件背景顯示指定的“單一顏色”。鼠標(biāo)單擊選中控件，拉動(dòng)屬性列表滑塊 →找到背景色屬性，完成此文本控件的背景色修改成藍(lán)色。控件單色背景填充時(shí)還能設(shè)置邊框效果，根據(jù)屬性列表里面相應(yīng)的屬性項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)顏色被使用過(guò)后，下次點(diǎn)擊選擇顏色的時(shí)候，使用過(guò)的顏色會(huì)直接出現(xiàn)在“選擇顏色”的下拉選項(xiàng)中。鼠標(biāo)單擊選中控件，拉動(dòng)屬性列表滑塊完成控件設(shè)置圖片填充背景。串口屏支持PNG圖片，并完美抗鋸齒，圖片內(nèi)容如果不是矩形，請(qǐng)使用PNG格式圖片。文本控件背景顯示指定的“一張圖片中的某一部分”。鼠標(biāo)單擊選中控件，拉動(dòng)屬性列表滑塊找到背景圖片切圖選擇屬性，點(diǎn)擊要添加的圖片完成了為控件設(shè)置切圖填充背景?？丶尘斑x擇切圖填充時(shí)，用于切圖填充的圖片必須是全屏圖片（即圖片分辨率和屏分辨率相同、顯示方向相同）。

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

MCU發(fā)正弦波給HMI屏顯示曲線波形，具體的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

3.3 返回?cái)?shù)據(jù)格式

串口指令執(zhí)行成功或失敗的通知格式，只有當(dāng)系統(tǒng)變量bkcmd為非0的時(shí)候才會(huì)返回指令執(zhí)行成功或者失敗數(shù)據(jù)，每次上電后bmcmd默認(rèn)為2，即只返回指令執(zhí)行出錯(cuò)的結(jié)果。上位軟件編輯時(shí)寫(xiě)進(jìn)資源文件的代碼不受bkcmd影響，執(zhí)行有錯(cuò)誤時(shí)一定會(huì)返回錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，成功時(shí)不返回?cái)?shù)據(jù)。設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)的結(jié)束符為“0XFF 0XFF 0XFF”3個(gè)字節(jié)。0X00無(wú)效指令，0X00+結(jié)束符，當(dāng)收到用戶發(fā)來(lái)的無(wú)效指令時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X01，指令成功執(zhí)行，0X01+結(jié)束符，用戶發(fā)來(lái)的指令被成功執(zhí)行完畢時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X02控件ID無(wú)效，0X02+結(jié)束符，用戶發(fā)來(lái)的指令中包含無(wú)效控件ID或者無(wú)效控件名稱(chēng)時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X03頁(yè)面ID無(wú)效，0X03+結(jié)束符，用戶發(fā)來(lái)的指令中包含無(wú)效頁(yè)面ID或者無(wú)效頁(yè)面名稱(chēng)時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X04圖片ID無(wú)效，0X04+結(jié)束符，用戶發(fā)來(lái)的指令中包含無(wú)效圖片ID時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X05字庫(kù)ID無(wú)效，0X05+結(jié)束符，用戶發(fā)來(lái)的指令中包含無(wú)效字庫(kù)ID時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0x06檔操作失敗，0X06+結(jié)束符，操作檔失敗的時(shí)候返回。0x09 CRC校驗(yàn)失敗，0X09+結(jié)束符，帶校驗(yàn)的指令通不過(guò)的時(shí)候返回此數(shù)據(jù)，指令校驗(yàn)說(shuō)明。0X11波特率設(shè)置無(wú)效，0X11+結(jié)束符，用戶發(fā)來(lái)的波特率配置指令中包含無(wú)效波特率參數(shù)。設(shè)備支持的波特率有：2400 4800 9600 19200 38400 57600 115200，0X12曲 線 控 件ID號(hào)或信道號(hào)無(wú)效，0X12+結(jié)束符，用戶使用add指令往曲線控件添加數(shù)據(jù)的時(shí)候，曲線控件ID號(hào)或信道號(hào)無(wú)效時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X1A變量名稱(chēng)無(wú)效。0X1A+結(jié)束符，當(dāng)串口收到的變量名稱(chēng)為無(wú)效名稱(chēng)時(shí)返回此數(shù)據(jù)。注：控件屬性也稱(chēng)為變量，比如您設(shè)置一個(gè)控件的屬性的時(shí)候，輸入的是一個(gè)它沒(méi)有的屬性名稱(chēng)，也會(huì)返回此數(shù)據(jù)。0X1B變量運(yùn)算無(wú)效，0X1B+結(jié)束符，比如文本控件t0的txt屬性賦值時(shí)應(yīng)該寫(xiě)成t0.txt=“abc”。0X1C賦值操作失敗，0X1C+結(jié)束符，屬性賦值失敗的時(shí)候返回此數(shù)據(jù)。0X1DEEPROM操作失敗，0X1D+結(jié)束符，操作EEPROM失敗時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X1E參數(shù)數(shù)量無(wú)效，0X1E+結(jié)束符，用戶輸入的指令中參數(shù)數(shù)量錯(cuò)誤的時(shí)候返回此數(shù)據(jù)。0X1FIO操作失敗，0X1F+結(jié)束符，操作IO失敗時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X20轉(zhuǎn)義字符使用錯(cuò)誤，0X20+結(jié)束符，轉(zhuǎn)義字符使用錯(cuò)誤時(shí)返回此數(shù)據(jù)。0X23變量名稱(chēng)太長(zhǎng)，0X23+結(jié)束符，變量名稱(chēng)長(zhǎng)度最大29個(gè)字符，超出就會(huì)返回此數(shù)據(jù)。0X24串口緩沖區(qū)溢出，0X24+結(jié)束符當(dāng)串口緩沖區(qū)被占滿以后會(huì)返回此數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)溢出以后，緩沖隊(duì)列里的指令執(zhí)行完成后會(huì)為緩沖區(qū)騰出空間以繼續(xù)接收指令，在此之前，串口收到的數(shù)據(jù)將會(huì)丟棄。

4 結(jié)論

應(yīng)用數(shù)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)編輯均勻分布、正態(tài)分布等隨機(jī)函數(shù)，以模擬壓力儀表的隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)性的采集測(cè)試。調(diào)用USART HMI觸摸屏進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線顯示，經(jīng)過(guò)壓力傳感器及觸摸屏的實(shí)物測(cè)試，此方法可以有效提升壓力計(jì)量?jī)x表和設(shè)備的測(cè)試效率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。