专利名称：一种物理参量测量值的复合指示方法
技术领域：
本发明属于信息技术领域，具体涉及的是一种将测量、采集或者接收的同一个物理参量(或者统计数据)的不同处理结果实时地在同一个动态图形或者图像符号中显示、指示的方法。
背景技术：
仪器、仪表、设备中存在大量指示、显示测量数值、处理数值等的人机接口，这些指示、显示的传统方法有指针型(如模拟万用表类)、刻度型(如水银血压计类)、数字型(如数字万用表类)。在计算机(包括各种MCU、DSP、FPGA等具有编程执行功能的器件)普及后，显示的方式趋于图形化、符号化、复杂化，可反映的信息也更多，如数字导航仪中的指示符号、通信测量设备中的星座图、眼图、频谱图显示符号等，并且可提供人机交互的功能，如通过触摸屏、按键进行指令输入。所有显示方式最终都是针对人的视觉的，一般要求能够直观、快速、准确地判读输出被测量的值。在实际系统中所选择采用的具体显示方式，取决于多种因素，如要显示的信息量多少、信息的形式、信息的维度、表达是否直观、实现复杂度、体积、成本等。通常显示针对的主要是某种系统内外部的测量值或者系统内部的某种中间参量或者最终参量，大多原始的测量值来自于各种类型的传感器(如温湿度传感器、运动传感器、光学传感器、声学传感器、化学传感器、生物传感器、机械传感器等)或者其它类型的数据采集、接收系统(如雷达、声纳、广播接收机、导航接收机以及各类通信接收机等)。无论是传感器的输出还是接收机的输入，当采用数据为基础的方式显示时(如直接的数码方式或者反映数据的图示方式等)，这些原始数据都需要经过一定的处理再送往显示系统。以数据为基础的最终显示方式看起来与以模拟为基础的显示方式有时是相似的，例如采用磁针的机械型指南针和采用磁传感器的数字型指南针(导航仪和智能手机中常用)，在最终显示时为了符合常规的视觉习惯均采用了一致的径向指针指示方式，这种方式显然也是最直观的方式。常规的显示处理流程依据数据性质和来源的不同，系统会采取不同的处理方式，这些处理可能是显性的或者是隐性的，或者是隶属于不同的模块、位于系统中的不同位置，但大致都需要包括调理、放大、滤波、A/D转换、数字信号处理等环节，然后显示最终的处理结果。由于所有原始数据中都包含着噪声(或干扰)，不同的系统往往针对不同的输入数据进行了不同的处理。这些处理措施的主要目的是为了抑制噪声或者其它干扰对输出的不良影响。但是在处理噪声或干扰的过程中，由于滤波器时常数的影响，往往会损失掉一些信号的有用信息，造成最终显示结果在时间上存在一定的延迟，或者在频谱方面存在一定的失真等，不能够准确地反映真实的输入信号。通常，被测物理参量的信息是多维度的，常规的显示方式往往部分损失掉了变化速率、隐含的噪声大小、历史进程等信息，或者虽然显示的种类繁多、内容丰富，但只是分别地(独立地)以数字形式或者图示形式显示在显示器上，具有关联性的内容往往缺少视觉上的关联性。当前流行的电子罗盘是其中的一个实例。电子罗盘采用3轴磁传感器和辅助测量倾角的3轴加速度传感器测量地磁场方向，由于磁传感器和加速度传感的输出存在噪声，往往在其电路或者算法中采用了有较大时常数的滤波器进行滤波，以滤除噪声造成的指针抖动，或者罗盘平台自身不稳定(比如手持或者在行驶车辆上)造成的抖动。但是，在取得稳定输出的同时，丧失了部分时间信息、隐藏了部分真实信息，无法快速及时地响应指向的变化，造成指不滞后。本发明通过将被测值的多种处理结果密切关联地显示在一个动态图形符号中，能够使观察者更直观、快速地获取被测参量的多种信息。
发明内容
本发明是一种方法，它可以应用在各种领域的各种仪器、仪表、设备的显示系统中。本发明针对的对象是某种被测物理参量(并不局限于狭义的物理参量，但为叙述方便以下均称为物理参量；也不限定物理参量的来源，可以是设备外部、内部，可以是设备内部的任何位置、任何功能模块或功能电路；也不限定物理参量的形式，可以是模拟的信号、离散的信号或者数据等；也不限定物理参量的原始形态，可以是电信号、计算机数据或者是其它记录介质上的数据)，如运动方向、速度、加速度、角速度、温度、电压、电流、功率、转速、流量、高度、距离、数据传输速率、误码率，如人口变化、股票交易、降雨量、车流量等等。这些被测物理参量的共同特征是在实际应用中往往受到噪声影响或者天然存在波动，而为了观察者的便利却往往需要显示当前相对稳定、准确的值。如果不加处理将会使显示内容(无论采用什么方式，如数码、指针、刻度等)抖动而造成视觉效果混乱。大多传统的做法是对其采用一定参数的滤波器进行滤波或者平滑处理，去除掉噪声的影响，或者取短时平均值去掉波动的影响(这些措施取决于系统设计的能力或者需要)。在本专利中，将这种类似当前大多测量系统采取的处理方法处理过的结果，为方便描述称为“主信号值”。这种处理方法的缺陷如前所述，丧失了部分原始信息、造成了显示滞后。本发明的目的是为了改善常规的显示方式，使同一个被测物理量的多种信息同时关联性地显示在一个复合的图形符号中，便于观察者获取更全面的信息以及有可能预测下一步的变化。本专利提出的显示方式需要信号处理流程配合。虽然针对不同性质的被测信号可以有不同的处理方法，但是针对常规的被测信号，信号处理流程仍可以大致概括为四级:预处理级、瞬时信号值输出级、主信号值输出级、统计值输出级，它们之间的连接关系取决于系统设计。预处理级对原始信号进行预处理，除此外其它处理级并不限定必须是级联关系，也可以是并行关系或者串并混联关系。预处理级是系统一般需要采用的基本处理措施，比如传感器输出后的匹配放大与调理或者最基本的噪声滤除措施等。预处理级视情形可以合并到瞬时信号值输出级，预处理级产生的信号可称为初级信号。瞬时信号值输出级输出的信号可称为瞬时信号或瞬时值，主信号值输出级输出的信号可称为主信号或者主信号值。它们之间主要的区别是处理电路(模拟或者数字)的形式和参数不同导致输出结果不同，本质差别体现在:瞬时信号反映的是被测量(原始输入量)快速变化，其值受噪声和波动的影响较大；主信号反映的是被测量的稳定准确结果。稳定、准确是相对于瞬时信号值而言，它减少了噪声和波动的影响。统计值输出级根据系统需求产生特定的时间段内原始信号的各种统计结果，如中值、均值、方差、极大极小值等。另外，并不限定各级输出信号的速率是否相同。针对不同的输出信号，显示器的控制器分别设定瞬时信号值指示符、主信号值指示符、统计值指示符。这些指示符在大小、形状、色彩、纹理、闪烁频率、位置等方面有明显的区别，瞬时信号值指示符和主信号值指示符是单一值的指示，而统计值指示符是多重指示符，即可同时显示多重信息，比如极大极小值、均值、方差等，常以区域表示。上述几种指示符也可将它们一起称为一个复合指示符，因为在数字图形显示技术中，独立与复合并无实质差别。复合指示符的具体形状决定于被测物理参量的类型及选择的刻度盘，对应的可以是径向指针、条形图、环形图、多维矢量图、立体图等。各级输出信号(数值)送到显示器后，显示器的控制器根据各值的性质，将它们叠加在一起同时显示出来，各自位置依据数值的大小对应各自刻度盘上的刻度线。对一般性质的信号，刻度盘有一致的刻度比例时，瞬时信号值指示符的变化一般会快于主信号值指示符，而主信号值指示符的变化一般会快于统计值指示符中的均值指示。由于指示的是同一个原始信号，让观察者能够同时获取信号的各种表现，在看到常规的稳定准确指示的同时，又能够看到信号的快速变化以及短时间内信号的变化区间或者均值位置，达到视觉与内容的密切关联。
图1:传统的指针型罗盘，属于典型的径向指针型指示器，可以是机械式的也可以由数字模拟出来用液晶显示器显示的。图2:传统的条形指示器示例，形状类似水银温度计，可以是机械式的也可以由数子虚拟出来。图3:能够匹配复合指示器的信号处理流程之一，各处理级并联。图4:能够匹配复合指示器的信号处理流程之二，瞬时信号处理级与主信号处理级串联。图5:指针型复合指示器示例之一，两个指针、两个刻度盘。也可以是多个刻度盘，它们的功能也可以调换，刻度指示比例也可以随时调整或者局部缩放。图6:指针型复合指示器示例之二，单指针、单刻度盘，图7:条形图复合指示器示例之一，单条图显示。在实际应用中对单被测物理量，也可以采用并行的多条图以包含更多的统计信息、更灵活的刻度比例。图8:矢量型复合指示符示例之一，同时包含了多种信息。
具体实施例方式下面分几种实例来进一步说明本发明所述的被测物理参量的复合指示方法。一、指针型复合指示符罗盘是典型的指针型仪表，常规的机械罗盘采用磁针指示方向，当前的便携设备上的电子罗盘采用3轴磁传感器获得地磁场的测量值后通过数字处理技术获得地磁方向，然后在模拟出来的罗盘上再以指针方式(实际上是电子显示方式)指示方向，但看起来都类似一个传统罗盘，其形状类似图1所示，其中有刻度盘(1-1)，对应的刻度线(1-2)和刻度值(1-3)以及径向指针(1-4)。机械罗盘难以实现本专利所述的复合指示，虽然磁针质量的大小决定其反应惰性的大小，采用不同质量的磁针可以改变对磁场响应的快慢，但是它们分别安装在不同的盘面上是可以的，如果要共轴安装，实现本专利所述的复合指示，则因为相互之间存在的磁力作用，是无法实现的。而对电子罗盘，则可以实现本专利所述的复合指示。电子罗盘有两类，一类是采用GPS导航信号获取角度指向信息，另一类是采用磁传感器获取指向信息。以磁电子罗盘为例，假设其内部已经对3轴磁传感器的输出信号和3轴加速度传感器的原始信号进行了算法处理获得了初始的方向信号(模拟或者数字形式)，可以将此处理过程概括为预处理，如同图3、4所示处理流程中的预处理级(3-1，4-1)功能。将此信号首先经过瞬时信号处理级(3-2)，它可以是时常数较小的滤波器，能够滤除掉高频噪声，得到方向的瞬时值；再经过主信号处理级(3-3)，这是可以时常数较大的滤波器(通带宽度较小)，滤除掉频率更低的噪声，使得输出信号变得更加稳定，更能够反映精确的测量值，但是不可避免存在较大惰性。这一级可以是级联在瞬时信号处理级之后(4-3)，也可以与其并联(3-3)，但是所选用的滤波器参数应有所不同。统计值处理级(3-4，4-4)在特定的时间段内对所接收的数据进行统计处理，如寻找到极大值、极小值、平均值等，其输入端连接到何处取决于设计者的意图和其它处理级的参数。瞬时信号处理器输出的瞬时值、主信号处理器输出的主值、统计值处理级输出的统计值，三路信号一起送到显示器(3-5，4-5)。显示器的控制器将三路信号转换为驱动显示的信号，分别驱动瞬时值指示符、主值指示符和统计值指示符移动。显示方式如图5所示，其中(5-1)是主刻度盘，(5-3)是主信号值指针；(5-2)是瞬时信号值刻度盘，(5-4)是瞬时信号值指针；(5-5)、(5-6)、(5-7)是统计值指示符示意，其中(5-6)、(5-7)分别表示瞬时值在一段时间内最大值和最小值(指示方向时并没有极大极小概念)，阴影区域(5-6)表示在一段时间内指向的变化区域，其边界由(5-6，5-7)界定。其中也可以通过在阴影区域增加径向浮动线来表示均值等信息。此图中表示统计值的阴影区域(5-5)与瞬时信号值刻度盘联在一起，它也可以是在一个独立的环形区域上，比如在两个刻度盘之间。在实际应用中，当罗盘旋转时，瞬时信号值指针(5-4)的变化比主信号值指针(5-3)变化要快且可能抖动，阴影(5-5)区域会先被拉大；在罗盘趋于固定时，主信号值指针(5-3)渐趋稳定，瞬时信号值指针(5-4)的抖动范围围绕主值指针减小，阴影区域(5-5)也会随瞬时指针逐渐围绕主值指针缩小。瞬时信号值指针最后有可能会与主信号值指针重合，或者以主信号值指针为中心左右轻微抖动(抖动速度和范围取决于原始信号和瞬时信号处理级的滤波参数)。在电子罗盘应用中，主信号值刻度盘(5-1)可以设计为固定不变，类似传统的罗盘刻度；瞬时信号值刻度盘的刻度可以与主信号值刻度盘刻度相同，也可以设计为局部，比如在瞬时信号值指针活动范围内，刻度被放大，这样即使在主信号值指针稳定时，也能够反映轻微的瞬时信号指针的指向变化，且观察者有可能通过对快速变化的瞬时信号值预测主信号值指针的下一步位置。同样，显示统计值的阴影区域也可以采用变刻度比例显示。由于数字处理与图形显示的灵活性，完全可以随时满足观察需要。图6示意了另外一种复合指示符的方式，可以作为罗盘、转速表等类似设备的指示方式。其中￠-1)是主信号值刻度盘，(6-2)是主信号值指针，阴影区域(6-3)是统计值显示区域，其边界由最大值线(6-4)、最小值线(6-5)界定，瞬时信号值由浮动指针(线)(6-6)指示。在实际运行中，阴影(6-3)并不一定是围绕均值或者主值对称的，主信号指针(6-2)也并不一定指向均值位置。显然图5和图6两种指示方式也可以结合起来使用，即用两种指示符合并成一个指示器，此时可提供信息的位置增加，可选用浮动指针(线)(6-6)指示均值，而边界线(6-4)、(6-5)作为方差值的指示等。二、条形图复合指示 条形图指示器在很多场合应用，特别是在计算机应用中。温度计、液位计、高度计是典型的可采用条形指示符的仪表。图2示意了一种常规的采用条形刻度盘的条形指示器，其中(2-1)是刻度盘上的刻度线，(2-3)是浮动指针(线)，(2-2)是浮动指示条，两者也可以只选其一，此处为视觉醒目一起绘出。图7示意了一种代表性的条形复合指示符，由图2传统的条形指示器改进形成。其中(7-1)是刻度线，浮动指针(7-3)和浮动指示条(7-2)的顶部指示了当前被测量的主信号值。浮动指针(7-4)标示的是瞬时信号值当前的位置，有代表最小最大值的边线(7-5)、(7-6)界定的阴影区域，显示了当前一段时间内被测量的变化范围，其中也可以增加一个闪烁的浮动指针指示当前一段时间内瞬时信号值的均值位置。刻度盘左右两边的刻度线可以是一致的刻度比例，同时做为瞬时信号值和主信号值的指示参考。也可以选择性地改变，比如左边刻度线为瞬时信号值指示刻度，右边为主信号值指示刻度。这样可以单独对指示刻度进行局部缩放， 以放大变化有利于区别观察。三、矢量图复合指示前述两种被测数据都属于标量型，但是在实际应用中往往也需要对矢量信号进行显示。在平面坐标中、立体坐标或者极坐标中，对某些被测物理量进行矢量性质的显示是各种设备中常用的方式之一，如通信测量设备中的星座图、眼图，雷达中的目标方位显示图
坐寸ο图8是代表性的示例之一。直角坐标用1、Q表示，假设菱形线端的矢量(8-1)表示某测量值的理想位置，虚线圆形区间(8-9)界定了被测矢量的某种可接受值的范围(或其它有关定义，决定于应用系统，其对应在1、Q上的投影区域分别为8-7、8-8)，图中也绘出了矢量(8-1)在1、Q坐标轴上的投影位置；箭头线端的矢量(8-3)表示了当前瞬时矢量的位置，图中也绘出了它在1、Q轴上的投影位置；圆形线端的矢量(8-2)表示了当前主信号值的位置，图中也绘出了其在1、Q轴上的投影位置；阴影区(8-4)表示当前一段时间内瞬时信号的变化范围，其在1、Q轴的投影区域(8-5)、(8-6)则分别表示了矢量分解在1、Q后的变化范围。这样的显示能够使观察者对所测信号的当前表现和变化一目了然，比如在1、Q轴上的移动情形、距离理想位置的距离等。上述显示方式，均可以在一定程度上显示快速变化、稳定变化以及短时统计信息和历史信息，有助于观察者全面了解被测量的变化并做出一定的预测。本专利所述的显示(指示)方法，并不局限于文中涉及到的几种常用形式，凡是将同一个被测量的多种中间处理值、不同处理结果值，同时在一个动态符号上视觉关联地指示出来的方式，均符合本专利叙述的显示(指示)特征。
本专利所述的被测物理参量除了常规的自然、人工实体中体现的物理学、化学、生物学参量外，也指任何其它性质的可由本专利所述的方法进行显示的数据，如来自金融、气象、人文、生产线、物流、生物学等存在变化和瞬时波动的社会信息和自然信息数据。
权利要求
1.一种物理参量测量值的复合指示方法，其主要特征是对同一物理参量的原始测量值(信号或者数据)进行多级不同的处理，分别获取瞬时信号值、主信号值、信号的各种统计值等；瞬时信号值快速反映当前被测量值，主信号值准确稳定反映当前被测量值，统计值反映当前特定时间段内被测量的统计特性(包括平均值、均值、方差、包络值、极大极小值等)；各值送到显示器，分别转换后驱动各自对应的瞬时信号值指示符、主信号值指示符、统计值指示符移动到刻度盘上对应的位置；各类型指示符的图形特征(大小、形状、色彩、纹理、闪烁频率、位置等)不同，这些指示符叠加形成一个内容与视觉效果关联的复合动态图形符号。
2.根据权利要求1所述的一种物理参量测量值的复合指示方法: a)其中的物理参量指任何自然、人造实体能够被仪器设备直接或间接测量、处理、显示的参数，包括任何领域的物理学、化学、生物学等性质的参数； b)其中同一物理参量当前的测量值(信号或者数据)指当前由传感器(或传感器模块、电路、设备)输出的信号、数据，或者由接收机接收(接收模块、电路)的信号或者数据，或者是其它方式来源的信号或数据；测量值可以是原始的信号或者数据，或者是经过预处理的信号或数据。
3.根据权利要求1所述的一种物理参量测量值的复合指示方法，其中对同一物理参量当前的测量值(信号或者数据)进行多级不同处理指经过不同的处理电路或者采用了不同的算法，或者采用了同样算法但选取了不同的参数；这些处理电路和算法可以采用级联模式或者并联模式，可以位于测量(接收)系统中的任何位置。
4.根据权利要求1所述的一种物理参量测量值的复合指示方法，其中所述的动态图形符号可以用于指针显示方式，该方式由绕刻度盘中心转动的瞬时信号值指针(或浮动指示线)及其刻度盘、主信号值指针(或浮动指示线)及其刻度盘，以及一个或者多个统计值显示区域及刻度盘组成；各刻度盘可以具有一致刻度比例，也可以是不同刻度比例，或者是局部随时变化的刻度比例。
5.根据权利要求1所述的一种物理参量测量值的复合指示方法，其中所述的动态图形符号可以用于条形图显示方式，该方式由瞬时信号值浮动指针、主信号值浮动指针、以及一个或者多个统计值显示区域和刻度盘组成，刻度盘上的刻度线可以随时改变。
6.根据权利要求1所述的一种物理参量测量值的复合指示方法，其中所述的动态图形符号可以用于矢量图显示方式，该方式由当前瞬时信号值的指示矢量、主信号值的指示矢量、统计值区域，及它们在各坐标轴上的投影组成。
全文摘要
本发明是一种物理参量测量值的显示(指示)方法。通常在各类仪器仪表中，最终显示值往往是被测参量经过多重处理后的结果。因为滤除了噪声和快速波动因素，最终结果的指示相对准确、稳定，然而物理参量在原始的信号数据中包含了更多的信息或者能够表现达成最终结果的过程信息，如果仅仅显示最终的处理结果，将掩盖掉中间过程，过滤掉一些重要细节，并造成一定延迟。本发明弥补这种缺陷，将通常最终处理的结果与中间过程、历史信息一并采用复合显示的方式同时指示出来，使得测量结果、过程、趋势一目了然。
文档编号G01D7/00GK103148882SQ201310009280
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者樊凌涛 申请人:华东理工大学