智能数字显示仪表

在汽车智能数字仪表的开发过程中，数字仪表所需要采集的信息量比较多，各种车型的信息参数又差别较大，这些问题的存在给仪表的实车测试和参数标定带来了困难。为了在开发过程中能够快速有效地测试系统的各项功能，提高系统开发效率，我们设计了一套测试系统，它能够模拟产生汽车上的各种参数信息，快速地对设计仪表进行全面的测试，节约台架或实车测试时间，降低测试风险。　　　　系统设计　　　　汽车智能数字仪表测试系统的开发要求针对不同的车型，能够模拟产生出仪表所需的各种采集信号信息，并且能够通过CAN接口与被测仪表进行通信。本文介绍的测试系统包括以下主要功能：车速里程表的脉冲信号模拟产生；　　　　发动机转速表的脉冲信号模拟产生；　　　　车辆燃油表信号模拟产生；　　　　车辆水温表信号模拟产生；　　　　各种车灯、车窗、车门等车身开关信号模拟产生。　　　　数字仪表具有CAN通信接口，作为一个CAN节点，可以与车上CAN网络上的其他节点进行通信。　　　　系统硬件设计　　　　数字仪表测试系统的硬件系统主要包括主控制器、PXI板卡、信号接线盒、数据通信转换板卡、供电电源以及被测试仪表等主要部分。NI提供的PXI模块化板卡设备具有体积小、速度快、易扩展等特点，因此在硬件设计方面我们采用了PxI板卡发生汽车仪表所需的各种信号。汽车数字仪表的里程表和发动机转速表需要采集的是数字脉冲信号，不同的车型由于采用的传感器不同，所输出的脉冲信号高电平从3V～12V不等，为了能够测试设计仪表的信号范围适用性，采用PXI一6624板卡，配合外部供电电路，能够产生仪表所需采集的数字脉冲信号。PXI一6624是工业级隔离的32位定时器／计数器：PXI接口板卡，具有8路隔离的通道，我们采用Couter0和Counterl作为车速表和转速表的脉冲信号提供通道。燃油表和水温表采集的是模拟信号，PXI一6233能够输出4路10V模拟电平信号，PXI一6713能够输出8路10V模拟电平信号，我们选择PXI一6713的2个模拟输出通道作为信号提供通道。由于仪表上的开关量信号比较多，他们之间产生的干扰随着也比较大，我们选用PXI一8528R对仪表的开关量进行控制，PXI一6528是高速隔离的数字I／O通道，输入和输出通道分别独立，有效的抑制了信号之间的干扰。　　　　仪表参数的标定以及作为CAN节点与车上其他CAN节点的数据通信，采用一块数据通信转换卡来完成，该卡的主要功能是完成串口信号一CAN信号之间的转换功能，开发数据通信转换卡的目的一是为了节约成本，二是考虑到大多数PC没有CAN接口。通过这个板卡对被控仪表的特征参数，如车辆的特征系数、传感器的传感系数、发动机的速比以及仪表的一些标定参数等进行设定。由于目标车型不确定，仪表的一些特征参数需要实车测试才能最后标定，所以该板卡可作为以后仪表参数标定用。　　　　系统软件设计　　　　仪表测试系统软件采用NI公司的LabVIEW8．20平台进行设计，本系统采用LabVIEW的图形化程序语言，以一种很直观的方法建立前面板人机界面和程序框图。前面板是用户可见的，类似传统仪器的操作面板，利用工具模板从控制模板中添加输入控制器和输出指示器，控制器和指示器种类可选择。程序框图是支持虚拟仪器实现其功能的核心，对程序框图的设计涉及节点、数据端口和连线的设计。连线代表数据走向，节点则是函数、Ⅵ子程序、结构或代码接口。本测试系统考虑到仪表整体功能测试和模块功能测试的需要，整个系统主要包括界面模块和各个功能测试模块，根据信号类型将仪表功能测试分为：车速表测试模块、发动机转速表测试模块、燃油表测试模块、水温表测试模块、开关量测试模块、CAN通信测试模块以及参数设置模块等主要功能模块。　　　　界面模块　　　　测试平台左侧是各种模块功能测试的切换按键，可以切换到单个功能模块的测试项目。右侧主界面模拟汽车仪表板的显示界面，如车速表、转速表、水温表、燃油表、里程指示以及各种报警和开关信号等信息显示。在进行测试实验中，工作人员通过主界面即可观测到仪表测试的整体功能。　　　　模块测试设计　　　　车速表的测试需要预先了解设定目标车型的特征参数，如车辆特征系数、车速传感器的传感系数等，然后通过数据通信卡(cAN总线信号)将特征参数下载到被测仪表，按照测试要求产生脉冲信号，信号的幅值、频率可以通过手动／自动进行调整，车速信号具备超速报警提示功能，根据设定的超速门限值，高于该门限值时，通过主界面前面板上的超速报警灯闪烁提示。测试过程也可以手动／自动进行，测试结果存档以备查询。　　　　车速表测试模块的设计采用状态机设计模式，主要分为开始、获取参数、手动／自动选择、采集(手动)、检查时间(自动)、输出信号和停止等状态。其中参数的获取主要是获取前面板上特征系数和传感系数的参数值，通常，这两个值在仪表参数标定的时候需要在线修改。检查时间是指按照程序规定的时间输出规定的信号，本系统中采取'V'模式阶梯状的车速变化趋势对仪表进行测试。　　　　发动机转速表测试模块类似于车速表测试模块，区别在于它的特征参数不同，根据特定车型的情况，通过数据通信卡(CAN总线信号)将发动机转速比下载到被测仪表，然后对其进行测试。　　　　燃油表的测试需要预先设定目标车型的燃油测试范围以及燃油门限报警值，通过数据通信卡(CAN总线信号)将参数值下载到被测仪表，然后按照测试要求开始测试跟据设定的燃油门限值，低于该门限值时，通过主界面前面板上的燃油报警灯闪烁提示。测试过程可以手动／自动进行。燃油表的测试采用状态机的设计模式，主要分为开始、获取参数、手动／自动、采集、检查报警、输出信号等状态。水温表的测试同燃油表，在此不做具体说明。　　　　CAN通信测试模块　　　　所有的模块测试之前首先需要对该模块的参数进行初始化，如进行特征系数、传感系数、发动机速比、超速门限、燃油门限、水温门限以及测量范围等参数的设置。数据通信采用CAN协议，鉴于成本方面考虑，我们在LabVIEW上对串口进行操作，然后通过数据转换板卡输出cAN信号，cAN信号直接与被测仪表进行数据通信，因此，需要定义一个简单的CAN通信协议。测试系统作为CAN网络上的一个节点，节点ID号可以根据需求自行设定，数据区域由命令字、数据长度、数据、校验位组成。图6和表1是仪表参数设定CAN通信简单协议。　　　　结语　　　　采用NI系列PxI板卡以及灵活方便的LabVIEW软件平台，使得我们在短期内构建一套汽车数字仪表产品开发、测试、评估多功能于一体的测试平台，通过对实际仪表的测试，结果表明该套测试系统能够快速准确地完成对被测仪表的各项功能测试，并且该系统具备可扩展性，可以很方便地移植到其他产品的测试方案中，为我们后续汽车电子产品的研发积累了测试经验。

NPXM系列数字式显示仪表NPXM系列数字式显示仪表接受来自传感器或变送器的模拟信号，在表内部经模/数(A/D)转换变成数字信号，再由数字电路处理后直接以十进制数码显示测量结果。 NPXM系列数字式显示仪表具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、体积小、读数清晰、便于与工业控制计算机联用等特点，已经越来越普遍地应用于工业生产过程中。NPXM系列数字式显示仪表典型型号：NPXM-2011P3N、NPXM-2011P5N、NPXM-2012P5N、NPXM-2012P5N、NPXM-2012P3N、NPXM-2011P0N、NPXM-2011P1、NPXM-2011P2N、NPXM-2012P2NNPXM系列数字式显示仪表一般具有模/数转换、非线性补偿和标度变换三个基本部分。由于许多被测变量与工程单位显示值之间存在非线性函数关系，所以必须配以线性化器进行非线性补偿。NPXM系列数字式显示仪表通常以十进制的工程单位方式或百分值方式显示被测变量。NPXM系列数字式显示仪表的精度有三种表示方法：满度的±α %±n字、读数的±α %±n字、读数的±α %±满度的b %。n为显示仪表读数最末一位数字的变化，一般n=1。NPXM系列数字式显示仪表的性能指标还有分辨力和分辨率两概念。所谓分辨力是指仪表显示值末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值；分辨率是指仪表显示的最小数值与最大数值之比。NPXM系列数字式显示仪表外形尺寸：尺寸选择：160mm×80mm×94mm横式80mm×160mm×94mm竖式96mm×96mm×130mm方式96mm×48mm×110mm横式48mm×96mm×110mm竖式72mm×72mm×102mm方式48mm×48mm×110mm方式

阐述智能化现场仪表的软件结构虽然Smart仪表与模拟信号兼容，在过程控制中将模拟信号作为主要信号；但是我们在设计和使用时必须注意到，在数字控制系统中Smart仪表是系统的一部分。因此我们可方便地用仪表的键或手持通信器对仪表做组态，但所有组态变化都须及时地让系统主机知道。由于HART协议采用主从式访问方式，因此主机不发出访问，从机是无法主动将组态变化情况上传的，这在应用时必须注意。现场仪表要做的是，发生非主机的组态后，在所有返回的应答中做出标记，直到主机了解组态变化为止。　　现场智能仪表的软件就功能而言至少分为3个状态：工作状态、设置状态和标定状态。可将3个状态理解为3台CPU。工作状态CPU和设置状态CPU同时工作，工作状态CPU连续工作，处理“测量或执行”任务；设置状态CPU由设置事件触发工作，处理组态任务；两台CPU间通过仪表内存交换信息。标定状态CPU单独工作，处理与仪表的生产调试或定期标定有关的事务。　　工作状态的程序仍可用图2表示，但通信有专门定时要求，因此交由设置状态程序处理；显示部分也要做处理，避免与设置态的显示冲突，满足特殊低功耗要求。　　标定状态的程序在不同仪表间有较大差异，即使是同类仪表，各企业间也有不同标定方法，因为方法是由模型和算法决定的。　　设置状态程序框图见图5。可调用Smart仪表智能功能的途径有两条：数据通信和键盘。由于数据通信是智能仪表的必备功能，而就地显示和键盘往往是选用件，因此软件结构要安排使数字通信部分最简洁有效。对于既有就地显示和键盘又有通信功能的仪表，妥善设计键盘、通信主机和手持通信器同时对仪表实施组态时的仲裁机制和时序关系十分关键。　　框图中通信分支从接收命令层到发送命令层的部分对大部分国内技术人员来说较熟悉，但部分技术人员对数据链路层重视不够，以为只要通信接上就行了。通信设计基本前提是：信道是有干扰的，原始通信是会出错的，因此必须有查错和纠错措施。错误分为两类：收发差错和内容差错。收发差错主要指信息与干扰的混淆和时序错误，内容差错指各种对信息的歪曲。Smart仪表纠错措施主要是重发。　　数据链路层与物理层一起承担了限制和查找收发差错的任务，也担负部分内容差错的查错任务(用纵横奇偶校验查错)。因此数据链路层是保证现场通信成功的基础。说数据链路层复杂是因为对它不熟悉，其实只要严格按照通信协议中规定的状态图去做)，认真实现图上的每条线就能达到协议规定的水平。　　命令层对通信差错用核对数据格式、检查状态字与校验和来检查。此外还有内容差错。内容差错也分为两类：一类是通信造成的，另一类是内容本身的差错(如参数超出许可范围)。第一类差错由命令层程序完成查错和自动请求重发任务。第二类差错，由于在键操作也会发生，因此需在处理每条命令时查错并返回出错信息。　　智能化现场仪表功能强带来的问题是操作复杂，现场人员做出错误操作的可能性极大，因此我们又有一条设计前提，就是：错误操作是不可避免的。一般而言，现场仪表要能抵御除严重物理损害(包括机械、热和电损害，以及水浸、改变内部电气连接等)外的一切错误操作。由此可料到，仪表软件中诊断和处理出错的程序量是很大的，许多智能化程度较高的仪表，出错处理程序的量远大于仪表基本功能程序。3.标定　　Smart仪表模拟、数字兼容的信号方式也决定了它的校验标定模式与传统仪表不同。有些概念常常被混淆。　　以温度变送器为例。对K型热电偶，IEC 60854.1给出的分度表范围是-270℃～+1372℃，所以变送器的变量下限(Variable Lower Limit, VLL)是-270℃，变量上限(Variable Upper Limit, VUL)是1372℃。但是实际上不可能有一个热电偶传感器用在这么宽的范围，如果这个变送器安装在一支0℃～800℃的热电偶上，那么传感器下限(Lower Sensor Limit, LSL)就是0℃，传感器上限(Upper Sensor Limit, USL)就是800℃。如果打算让200～500℃对应指示4～20mA，那么量程下限(Lower Range Value, LRV)是200℃，量程上限(Upper Range Value, URV)是500℃。　　为了便于理解，我们可以把Smart仪表的逻辑结构分成两台仪表，一台是全数字化的仪表，另一台是模拟仪表。数字仪表由两部分组成，模拟信号调理部分和数字信号处理部分。　　根据仪表类型不同，数字仪表的标定有两种模式：一种是直接标定数字信号处理部分，将每台传感器和模拟信号调理器的不一致连同非线性等一起全部修正掉，典型例子如压力变送器。另一种是不同的传感器采用统一的数字信号处理，标定时仅仅将不同传感器的信号归一化，典型例子是温度变送器。　　在数字信号处理部分，它的变量范围是从VLL到VUL，这个范围在变送器设计完成以后就不可变了。变送器与传感器组装时要在仪表内设定LSL和USL。当信号超出LSL、USL或VLL、VUL时，仪表会按约定的方式报警。LSL、USL、VLL和VUL的设定是由制造厂完成的，用户不需要做。　　模拟仪表是数字仪表的模拟形式表现。数字仪表传给模拟一串数字，模拟仪表将数字转换成电流。但是电流转换的是否准，这是需要在4mA和20mA标定的，标定模拟电流输出是Smart仪表特有的。仪表出厂时一般取LRV=LSL和URV=USL，使用时可以根据需要设定LRV使之对应4mA输出，设定URV使之对应20mA输出。　　Smart仪表必须分别进行数字仪表的标定和模拟仪表的标定，才能保证数字输出和模拟输出都是精确的。　　一些用户不理解数字仪表与模拟仪表的区别，将Smart仪表像模拟仪表一样进行零点和量程的标定，这样标定会失去智能化仪表应有的高精确度。只有在数字仪表的标定已经完成的情况下，这种简单的标定才会有好的结果。　　还有一点概念上的问题，就是许多技术人员总是像考虑传统仪表一样，以为设定LRV和URV时在对仪表的前级信号调理部分进行调整，其实Smart仪表中通常只有模拟输出是可以调整的。三新型智能化现场仪表　　新型智能化现场仪表指全数字化现场总线智能仪表，它们同时具有信息的采集、储存、处理和传输功能。它们加工的信息包括：过程对象、自身状态、与其他仪表的关系和系统管理等信息。由于单台仪表处理信息的能力有限，因此经常需几台仪表联合，甚至需系统主机参与处理某些信息，因此通信功能强弱对仪表的智能程度非常重要。　　虽然现场总线种类很多，智能化现场仪表的制造商也很多，采用技术不完全相同，但是在仪表结构上的发展趋势是共同的。1.硬件结构　　硬件结构见图6，与前面两种结构最大不同是分为了两部分：智能传感器部分与数据处理和通信部分。对执行器类仪表智能传感器部分的结构框图有些不同。　　智能传感器部分包括信号调理器、A/D转换器和EEPROM(电可擦除只读存储器)或其他非易失存储器，EEPROM用于存放与传感器有关的线性化、温度补偿等标定数据和一些管理信息。虽然与这块EEPROM有关的运算是在数据处理和通信部分进行的，但把它放在智能传感器部分带来了很大好处。主要是：(1)传感器完全可互换；(2)针对不同现场总线，传感器部分可以统一。　　数据处理和通信部分包括不直接涉及传感器的各部分，这部分也有一块EEPROM或其他非易失存储器，主要用于存放与仪表的组态及现场总线有关的信息。与传感器分离后，在硬件上与传感器完全脱钩，因此只需为不同现场仪表准备不同软件，原则上用一种卡件就可满足各种现场仪表的需要。　　这种分体结构使企业只需针对每种现场总线设计一种数据处理和通信卡，针对每种传感器设计一种传感器卡，两类卡组合可产生多种现场总线智能仪表。分体结构对加快新产品开发，降低开发和生产成本产生了很好效果。[color=