数字化随机函数在压力采集测试中的应用

黄 莉，李晨韵

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

在对压力传感器及压力仪表的采集测试中，不同激励方式下，传感器响应特性曲线各不相同。为了更好地模拟和测试出压力仪表的计量特性，应用数学信号处理技术将压力激励和压力响应信号进行数字化处理，以更好地实现压力传感器及相关仪表的采集测试[1,2]。

1 数字信号的产生

信号与信息处理时利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信息进行变换、分析、综合、滤波、估计、识别等加工处理，以达到提取信息和便于利用的目的。由于数字信号处理技术具有精度高、抗干扰性强、易于集成等优点，因而20多年来在语音、图像、通信、雷达、声呐、自动控制、地震勘探、生物医学、遥感测控、振动工程等领域得到了广泛的应用。这里是将数学信号处理技术应用在压力采集测试中[3]。

均匀分布随机数、正态分布随机数、指数分布随机数、拉普拉斯分布随机数、瑞利分布随机数、对数正态分布随机数、柯西分布随机数、韦伯分布随机数、爱尔朗分布随机数、贝努里分布随机数、贝努里高斯分布随机数、二项式分布随机数、泊松分布随机数。

均匀分布的概率密度函数为：

正态分布的概率密度函数为：

其中，μ是均值；σ2是方差。正态分布也称为高斯分布。类似上述两种随机函数，将所有的随机数函数进行组合并进行曲线显示，得到图1。

图1 多种随机函数的曲线接口图Fig.1 Curve interface diagram of various random functions

2 曲线波形控件

2.1 控件设置

曲线/波形控件是串口屏诸多功能控件里面的其中一个，用于在串口屏上显示波形或者曲线。在USART HMI软件左侧工具箱里面，该控件涉及到指令为add指令、cle指令、addt指令。曲线/波形控件只能在当前页面添加数据点。例如，命令randset 0, 255 add 1,0,rand add 1,1,255 add 1,2,100，randset指令是随机数范围设置。通过add指令是给曲线添加点，该工程是用定时器设定一定时间，每隔一段时间给3个信道曲线添加一个点。曲线一是添加随机值，曲线二是添加固定值255，曲线三是添加固定值100。串口屏所有控件操作的实质都是对属性的修改。曲线/波形控件具有的属性，用户可以随时调整、编辑列表中的属性参数。其中，type和id属性由开发环境指定，用户不可修改。id可通过软件左上方置顶置底间接修改。曲线波形控件属性列表，可以在设备运行中随时读取。sys0=s0.id将数据记录控件s0的id号赋值给sys0变数，s0.x+=10将控件在屏幕上的位置向右移动10个像素点。prints s0.gdc,0将s0的网格颜色从串口发送出去，objname属性不可以读取。比如，在事件代码中写"t0.txt=s0.objname"编译将报错，其中所有绿色控件可以在运行中实时修改。

2.2 基本属性

曲线波形的x，y属性描述控件在屏幕上的像素坐标位置。以屏幕左上角为触摸屏像素坐标原点（x=0，y=0）。x，y属性只能从0～最大分辨率，不能超出屏幕显示区域。如果x，y属性可以超出屏幕坐标范围（-6000～+6000），但是超出屏幕将被裁减，不会显示出来。研发人员如果想做一个控件，但是不想让使用者看到、触摸到，可以把该控件放在屏幕显示区域以外。开发人员使用的时候，使用click指令，或者绑定用户IO。w，h属性描述控件在屏幕上的宽度和高度。w，h属性只能从0～最大分辨率，不能超出屏幕显示区域。x+w，y+h的值可以超出屏幕坐标范围，但是超出屏幕将被裁减，不会显示出来。gdc属性，网格颜色，RGB565的颜色值，仅当sta=单色时，才存在该属性。bco属性，控件背景色属性，RGB565的颜色值，仅当sta=单色时，才存在该属性。pic属性，控件背景图片属性，选择控件背景图片的ID号，仅当sta=图片时，才存在该属性。picc属性，控件背景切图图片属性，选择控件背景切图图片的ID号，仅当sta=切图时，才存在该属性。选择的被切图图片尺寸必须等于对应串口屏的分辨率，否则，可能会导致显示花屏。sta属性，背景填充方式属性[4-6]。

2.3 绘图属性

支持4种背景方式：①切图，从指定与串口屏分辨率相同的全屏图片上，自动窃取控件窗口区域的图片内容作为控件背景；②单色，指定单一的RGB565颜色值作为控件背景；③图片，用户指定一张图片作为控件的背景；④透明，即无背景，以透明的方式直接在控件区域写字符信息。time属性，控件特效运行时间属性。effect设置不为0以后，才存在该属性。当设置了控件的加载特效以后，控件在time的时间内，以设置的特效方式飞到控件所在屏幕的坐标位置。first属性，控件加载特效的优先级属性。effect设置不为0以后，才存在该属性。first可设置的值为0～100，支持多个有特效的控件为同一级别优先级。同一优先级的控件，将在同时被加载到屏幕上显示。不同的优先级中，将根据设置值从大到小依次完成载入。effect属性，控件加载特效属性，一共支持9种效果，仅X系列支持该属性。0-立即载入；1-上边飞入；2-下边飞入；3-左边飞入；4-右边飞入；5-左上角飞入；6-右上角飞入；7-左下角飞入；8-右下角飞入。aph属性，控件半透明属性。aph可设置的值范围为0～127 。为0时控件将全透明（效果为不显示），为127时全显示（没有半透明效果）。drag属性，控件运行过程中是否支持拖动属性。vscope属性，控件内存占用属性，控件支持私有和全局属性。当设置为全局时，控件分配的内存在所有页面都可以访问。离开当前页面后，控件属性数据也不会丢失，缺点是占用系统总内存。objname属性，控件名称属性，该属性在运行中不能获取。id属性，控件id是每个控件在当前页面的唯一标识号，由系统分配，不可修改，可通过软件左上角置顶置底间接修改。type属性，控件类型属性。由系统分别固定数据，比如曲线/波形控件属性为0。disup属性，产生拖动后是否禁用弹起事件：0-否；1-是。默认为否，即拖动的时候是会触发弹起事件。仅当drag=是时，才存在该属性。dir属性，平推方向：0-从左往右；1-从右往左；2-靠右对齐。设置靠右对齐曲线/波形图才会从右往左开始打点；设置从右往左，是从右边开始打点，曲线从左往右不断打点。ch属性，信道数量（最小1，最大4）：1-0；2-1；3-2；4-3。gdw属性，网格宽度，0为无网格。gdh属性，网格高度，0为无网格。pco0属性，通道0前景色。pco1属性，通道1前景色，当ch的值大于1的时候存在。pco2属性，通道2前景色，当ch的值大于2的时候存在。pco3属性，通道3前景色，当ch的值大于3的时候存在。dis属性，数据缩放百分比（最小10，最大1000）。disup属性，产生拖动后是否禁用弹起事件：0-否；1-是。默认为否，即拖动的时候是会触发弹起事件。仅当drag=是时，才存在该属性[7,8]。

3 创建调试

3.1 触摸屏设置

图2 触摸屏曲线接口图Fig.2 Touch screen curve interface diagram

打开一个新的空白接口，点击左侧<工具箱>里面的<文本>按钮，当前页面出现一个文本框，创建了一个文本控件，现在编辑文本控件的外观（显示效果）。调整位置和尺寸，将文本控件移置显示区中心位置，并调大到能放下。新添加上“文本控件”预览II.摆放到指定位置并调整到需要尺寸预览，移动位置：鼠标选中控件，拖到需要摆放的位置。重设大小：鼠标指针选中控件的任意一条边，或任意一个角，拖动即可重设大小。如果不想使用鼠标，也可以通过修改属性列表中的“x、y坐标”来调整位置，修改属性列表中的“宽度和高度”来重设大小。文本控件背景显示指定的“单一颜色”。鼠标单击选中控件，拉动属性列表滑块 →找到背景色属性，完成此文本控件的背景色修改成蓝色。控件单色背景填充时还能设置边框效果，根据属性列表里面相应的属性项进行设置。当颜色被使用过后，下次点击选择颜色的时候，使用过的颜色会直接出现在“选择颜色”的下拉选项中。鼠标单击选中控件，拉动属性列表滑块完成控件设置图片填充背景。串口屏支持PNG图片，并完美抗锯齿，图片内容如果不是矩形，请使用PNG格式图片。文本控件背景显示指定的“一张图片中的某一部分”。鼠标单击选中控件，拉动属性列表滑块找到背景图片切图选择属性，点击要添加的图片完成了为控件设置切图填充背景。控件背景选择切图填充时，用于切图填充的图片必须是全屏图片（即图片分辨率和屏分辨率相同、显示方向相同）。

3.2 单片机程序设计

MCU发正弦波给HMI屏显示曲线波形，具体的实现代码如下所示：

3.3 返回数据格式

串口指令执行成功或失败的通知格式，只有当系统变量bkcmd为非0的时候才会返回指令执行成功或者失败数据，每次上电后bmcmd默认为2，即只返回指令执行出错的结果。上位软件编辑时写进资源文件的代码不受bkcmd影响，执行有错误时一定会返回错误数据，成功时不返回数据。设备返回数据的结束符为“0XFF 0XFF 0XFF”3个字节。0X00无效指令，0X00+结束符，当收到用户发来的无效指令时返回此数据。0X01，指令成功执行，0X01+结束符，用户发来的指令被成功执行完毕时返回此数据。0X02控件ID无效，0X02+结束符，用户发来的指令中包含无效控件ID或者无效控件名称时返回此数据。0X03页面ID无效，0X03+结束符，用户发来的指令中包含无效页面ID或者无效页面名称时返回此数据。0X04图片ID无效，0X04+结束符，用户发来的指令中包含无效图片ID时返回此数据。0X05字库ID无效，0X05+结束符，用户发来的指令中包含无效字库ID时返回此数据。0x06档操作失败，0X06+结束符，操作档失败的时候返回。0x09 CRC校验失败，0X09+结束符，带校验的指令通不过的时候返回此数据，指令校验说明。0X11波特率设置无效，0X11+结束符，用户发来的波特率配置指令中包含无效波特率参数。设备支持的波特率有：2400 4800 9600 19200 38400 57600 115200，0X12曲 线 控 件ID号或信道号无效，0X12+结束符，用户使用add指令往曲线控件添加数据的时候，曲线控件ID号或信道号无效时返回此数据。0X1A变量名称无效。0X1A+结束符，当串口收到的变量名称为无效名称时返回此数据。注：控件属性也称为变量，比如您设置一个控件的属性的时候，输入的是一个它没有的属性名称，也会返回此数据。0X1B变量运算无效，0X1B+结束符，比如文本控件t0的txt属性赋值时应该写成t0.txt=“abc”。0X1C赋值操作失败，0X1C+结束符，属性赋值失败的时候返回此数据。0X1DEEPROM操作失败，0X1D+结束符，操作EEPROM失败时返回此数据。0X1E参数数量无效，0X1E+结束符，用户输入的指令中参数数量错误的时候返回此数据。0X1FIO操作失败，0X1F+结束符，操作IO失败时返回此数据。0X20转义字符使用错误，0X20+结束符，转义字符使用错误时返回此数据。0X23变量名称太长，0X23+结束符，变量名称长度最大29个字符，超出就会返回此数据。0X24串口缓冲区溢出，0X24+结束符当串口缓冲区被占满以后会返回此数据。缓冲区溢出以后，缓冲队列里的指令执行完成后会为缓冲区腾出空间以继续接收指令，在此之前，串口收到的数据将会丢弃。

4 结论

应用数学信号处理技术编辑均匀分布、正态分布等随机函数，以模拟压力仪表的随机激励信号进行系统性的采集测试。调用USART HMI触摸屏进行压力数据的实时曲线显示，经过压力传感器及触摸屏的实物测试，此方法可以有效提升压力计量仪表和设备的测试效率，达到了预期的设计效果。