專利名稱：一種物理參量測量值的復合指示方法
技術領域：
本發明屬于信息技術領域，具體涉及的是一種將測量、采集或者接收的同一個物理參量(或者統計數據)的不同處理結果實時地在同一個動態圖形或者圖像符號中顯示、指示的方法。
背景技術：
儀器、儀表、設備中存在大量指示、顯示測量數值、處理數值等的人機接口，這些指示、顯示的傳統方法有指針型(如模擬萬用表類)、刻度型(如水銀血壓計類)、數字型(如數字萬用表類)。在計算機(包括各種MCU、DSP、FPGA等具有編程執行功能的器件)普及后，顯示的方式趨于圖形化、符號化、復雜化，可反映的信息也更多，如數字導航儀中的指示符號、通信測量設備中的星座圖、眼圖、頻譜圖顯示符號等，并且可提供人機交互的功能，如通過觸摸屏、按鍵進行指令輸入。所有顯示方式最終都是針對人的視覺的，一般要求能夠直觀、快速、準確地判讀輸出被測量的值。在實際系統中所選擇采用的具體顯示方式，取決于多種因素，如要顯示的信息量多少、信息的形式、信息的維度、表達是否直觀、實現復雜度、體積、成本等。通常顯示針對的主要是某種系統內外部的測量值或者系統內部的某種中間參量或者最終參量，大多原始的測量值來自于各種類型的傳感器(如溫濕度傳感器、運動傳感器、光學傳感器、聲學傳感器、化學傳感器、生物傳感器、機械傳感器等)或者其它類型的數據采集、接收系統(如雷達、聲納、廣播接收機、導航接收機以及各類通信接收機等)。無論是傳感器的輸出還是接收機的輸入，當采用數據為基礎的方式顯示時(如直接的數碼方式或者反映數據的圖示方式等)，這些原始數據都需要經過一定的處理再送往顯示系統。以數據為基礎的最終顯示方式看起來與以模擬為基礎的顯示方式有時是相似的，例如采用磁針的機械型指南針和采用磁傳感器的數字型指南針(導航儀和智能手機中常用)，在最終顯示時為了符合常規的視覺習慣均采用了一致的徑向指針指示方式，這種方式顯然也是最直觀的方式。常規的顯示處理流程依據數據性質和來源的不同，系統會采取不同的處理方式，這些處理可能是顯性的或者是隱性的，或者是隸屬于不同的模塊、位于系統中的不同位置，但大致都需要包括調理、放大、濾波、A/D轉換、數字信號處理等環節，然后顯示最終的處理結果。由于所有原始數據中都包含著噪聲(或干擾)，不同的系統往往針對不同的輸入數據進行了不同的處理。這些處理措施的主要目的是為了抑制噪聲或者其它干擾對輸出的不良影響。但是在處理噪聲或干擾的過程中，由于濾波器時常數的影響，往往會損失掉一些信號的有用信息，造成最終顯示結果在時間上存在一定的延遲，或者在頻譜方面存在一定的失真等，不能夠準確地反映真實的輸入信號。通常，被測物理參量的信息是多維度的，常規的顯示方式往往部分損失掉了變化速率、隱含的噪聲大小、歷史進程等信息，或者雖然顯示的種類繁多、內容豐富，但只是分別地(獨立地)以數字形式或者圖示形式顯示在顯示器上，具有關聯性的內容往往缺少視覺上的關聯性。當前流行的電子羅盤是其中的一個實例。電子羅盤采用3軸磁傳感器和輔助測量傾角的3軸加速度傳感器測量地磁場方向，由于磁傳感器和加速度傳感的輸出存在噪聲，往往在其電路或者算法中采用了有較大時常數的濾波器進行濾波，以濾除噪聲造成的指針抖動，或者羅盤平臺自身不穩定(比如手持或者在行駛車輛上)造成的抖動。但是，在取得穩定輸出的同時，喪失了部分時間信息、隱藏了部分真實信息，無法快速及時地響應指向的變化，造成指不滯后。本發明通過將被測值的多種處理結果密切關聯地顯示在一個動態圖形符號中，能夠使觀察者更直觀、快速地獲取被測參量的多種信息。
發明內容
本發明是一種方法，它可以應用在各種領域的各種儀器、儀表、設備的顯示系統中。本發明針對的對象是某種被測物理參量(并不局限于狹義的物理參量，但為敘述方便以下均稱為物理參量；也不限定物理參量的來源，可以是設備外部、內部，可以是設備內部的任何位置、任何功能模塊或功能電路；也不限定物理參量的形式，可以是模擬的信號、離散的信號或者數據等；也不限定物理參量的原始形態，可以是電信號、計算機數據或者是其它記錄介質上的數據)，如運動方向、速度、加速度、角速度、溫度、電壓、電流、功率、轉速、流量、高度、距離、數據傳輸速率、誤碼率，如人口變化、股票交易、降雨量、車流量等等。這些被測物理參量的共同特征是在實際應用中往往受到噪聲影響或者天然存在波動，而為了觀察者的便利卻往往需要顯示當前相對穩定、準確的值。如果不加處理將會使顯示內容(無論采用什么方式，如數碼、指針、刻度等)抖動而造成視覺效果混亂。大多傳統的做法是對其采用一定參數的濾波器進行濾波或者平滑處理，去除掉噪聲的影響，或者取短時平均值去掉波動的影響(這些措施取決于系統設計的能力或者需要)。在本專利中，將這種類似當前大多測量系統采取的處理方法處理過的結果，為方便描述稱為“主信號值”。這種處理方法的缺陷如前所述，喪失了部分原始信息、造成了顯示滯后。本發明的目的是為了改善常規的顯示方式，使同一個被測物理量的多種信息同時關聯性地顯示在一個復合的圖形符號中，便于觀察者獲取更全面的信息以及有可能預測下一步的變化。本專利提出的顯示方式需要信號處理流程配合。雖然針對不同性質的被測信號可以有不同的處理方法，但是針對常規的被測信號，信號處理流程仍可以大致概括為四級:預處理級、瞬時信號值輸出級、主信號值輸出級、統計值輸出級，它們之間的連接關系取決于系統設計。預處理級對原始信號進行預處理，除此外其它處理級并不限定必須是級聯關系，也可以是并行關系或者串并混聯關系。預處理級是系統一般需要采用的基本處理措施，比如傳感器輸出后的匹配放大與調理或者最基本的噪聲濾除措施等。預處理級視情形可以合并到瞬時信號值輸出級，預處理級產生的信號可稱為初級信號。瞬時信號值輸出級輸出的信號可稱為瞬時信號或瞬時值，主信號值輸出級輸出的信號可稱為主信號或者主信號值。它們之間主要的區別是處理電路(模擬或者數字)的形式和參數不同導致輸出結果不同，本質差別體現在:瞬時信號反映的是被測量(原始輸入量)快速變化，其值受噪聲和波動的影響較大；主信號反映的是被測量的穩定準確結果。穩定、準確是相對于瞬時信號值而言，它減少了噪聲和波動的影響。統計值輸出級根據系統需求產生特定的時間段內原始信號的各種統計結果，如中值、均值、方差、極大極小值等。另外，并不限定各級輸出信號的速率是否相同。針對不同的輸出信號，顯示器的控制器分別設定瞬時信號值指示符、主信號值指示符、統計值指示符。這些指示符在大小、形狀、色彩、紋理、閃爍頻率、位置等方面有明顯的區別，瞬時信號值指示符和主信號值指示符是單一值的指示，而統計值指示符是多重指示符，即可同時顯示多重信息，比如極大極小值、均值、方差等，常以區域表示。上述幾種指示符也可將它們一起稱為一個復合指示符，因為在數字圖形顯示技術中，獨立與復合并無實質差別。復合指示符的具體形狀決定于被測物理參量的類型及選擇的刻度盤，對應的可以是徑向指針、條形圖、環形圖、多維矢量圖、立體圖等。各級輸出信號(數值)送到顯示器后，顯示器的控制器根據各值的性質，將它們疊加在一起同時顯示出來，各自位置依據數值的大小對應各自刻度盤上的刻度線。對一般性質的信號，刻度盤有一致的刻度比例時，瞬時信號值指示符的變化一般會快于主信號值指示符，而主信號值指示符的變化一般會快于統計值指示符中的均值指示。由于指示的是同一個原始信號，讓觀察者能夠同時獲取信號的各種表現，在看到常規的穩定準確指示的同時，又能夠看到信號的快速變化以及短時間內信號的變化區間或者均值位置，達到視覺與內容的密切關聯。
圖1:傳統的指針型羅盤，屬于典型的徑向指針型指示器，可以是機械式的也可以由數字模擬出來用液晶顯示器顯示的。圖2:傳統的條形指示器示例，形狀類似水銀溫度計，可以是機械式的也可以由數子虛擬出來。圖3:能夠匹配復合指示器的信號處理流程之一，各處理級并聯。圖4:能夠匹配復合指示器的信號處理流程之二，瞬時信號處理級與主信號處理級串聯。圖5:指針型復合指示器示例之一，兩個指針、兩個刻度盤。也可以是多個刻度盤，它們的功能也可以調換，刻度指示比例也可以隨時調整或者局部縮放。圖6:指針型復合指示器示例之二，單指針、單刻度盤，圖7:條形圖復合指示器示例之一，單條圖顯示。在實際應用中對單被測物理量，也可以采用并行的多條圖以包含更多的統計信息、更靈活的刻度比例。圖8:矢量型復合指示符示例之一，同時包含了多種信息。
具體實施例方式下面分幾種實例來進一步說明本發明所述的被測物理參量的復合指示方法。一、指針型復合指示符羅盤是典型的指針型儀表，常規的機械羅盤采用磁針指示方向，當前的便攜設備上的電子羅盤采用3軸磁傳感器獲得地磁場的測量值后通過數字處理技術獲得地磁方向，然后在模擬出來的羅盤上再以指針方式(實際上是電子顯示方式)指示方向，但看起來都類似一個傳統羅盤，其形狀類似圖1所示，其中有刻度盤(1-1)，對應的刻度線(1-2)和刻度值(1-3)以及徑向指針(1-4)。機械羅盤難以實現本專利所述的復合指示，雖然磁針質量的大小決定其反應惰性的大小，采用不同質量的磁針可以改變對磁場響應的快慢，但是它們分別安裝在不同的盤面上是可以的，如果要共軸安裝，實現本專利所述的復合指示，則因為相互之間存在的磁力作用，是無法實現的。而對電子羅盤，則可以實現本專利所述的復合指示。電子羅盤有兩類，一類是采用GPS導航信號獲取角度指向信息，另一類是采用磁傳感器獲取指向信息。以磁電子羅盤為例，假設其內部已經對3軸磁傳感器的輸出信號和3軸加速度傳感器的原始信號進行了算法處理獲得了初始的方向信號(模擬或者數字形式)，可以將此處理過程概括為預處理，如同圖3、4所示處理流程中的預處理級(3-1，4-1)功能。將此信號首先經過瞬時信號處理級(3-2)，它可以是時常數較小的濾波器，能夠濾除掉高頻噪聲，得到方向的瞬時值；再經過主信號處理級(3-3)，這是可以時常數較大的濾波器(通帶寬度較小)，濾除掉頻率更低的噪聲，使得輸出信號變得更加穩定，更能夠反映精確的測量值，但是不可避免存在較大惰性。這一級可以是級聯在瞬時信號處理級之后(4-3)，也可以與其并聯(3-3)，但是所選用的濾波器參數應有所不同。統計值處理級(3-4，4-4)在特定的時間段內對所接收的數據進行統計處理，如尋找到極大值、極小值、平均值等，其輸入端連接到何處取決于設計者的意圖和其它處理級的參數。瞬時信號處理器輸出的瞬時值、主信號處理器輸出的主值、統計值處理級輸出的統計值，三路信號一起送到顯示器(3-5，4-5)。顯示器的控制器將三路信號轉換為驅動顯示的信號，分別驅動瞬時值指示符、主值指示符和統計值指示符移動。顯示方式如圖5所示，其中(5-1)是主刻度盤，(5-3)是主信號值指針；(5-2)是瞬時信號值刻度盤，(5-4)是瞬時信號值指針；(5-5)、(5-6)、(5-7)是統計值指示符示意，其中(5-6)、(5-7)分別表示瞬時值在一段時間內最大值和最小值(指示方向時并沒有極大極小概念)，陰影區域(5-6)表示在一段時間內指向的變化區域，其邊界由(5-6，5-7)界定。其中也可以通過在陰影區域增加徑向浮動線來表示均值等信息。此圖中表示統計值的陰影區域(5-5)與瞬時信號值刻度盤聯在一起，它也可以是在一個獨立的環形區域上，比如在兩個刻度盤之間。在實際應用中，當羅盤旋轉時，瞬時信號值指針(5-4)的變化比主信號值指針(5-3)變化要快且可能抖動，陰影(5-5)區域會先被拉大；在羅盤趨于固定時，主信號值指針(5-3)漸趨穩定，瞬時信號值指針(5-4)的抖動范圍圍繞主值指針減小，陰影區域(5-5)也會隨瞬時指針逐漸圍繞主值指針縮小。瞬時信號值指針最后有可能會與主信號值指針重合，或者以主信號值指針為中心左右輕微抖動(抖動速度和范圍取決于原始信號和瞬時信號處理級的濾波參數)。在電子羅盤應用中，主信號值刻度盤(5-1)可以設計為固定不變，類似傳統的羅盤刻度；瞬時信號值刻度盤的刻度可以與主信號值刻度盤刻度相同，也可以設計為局部，比如在瞬時信號值指針活動范圍內，刻度被放大，這樣即使在主信號值指針穩定時，也能夠反映輕微的瞬時信號指針的指向變化，且觀察者有可能通過對快速變化的瞬時信號值預測主信號值指針的下一步位置。同樣，顯示統計值的陰影區域也可以采用變刻度比例顯示。由于數字處理與圖形顯示的靈活性，完全可以隨時滿足觀察需要。圖6示意了另外一種復合指示符的方式，可以作為羅盤、轉速表等類似設備的指示方式。其中￠-1)是主信號值刻度盤，(6-2)是主信號值指針，陰影區域(6-3)是統計值顯示區域，其邊界由最大值線(6-4)、最小值線(6-5)界定，瞬時信號值由浮動指針(線)(6-6)指示。在實際運行中，陰影(6-3)并不一定是圍繞均值或者主值對稱的，主信號指針(6-2)也并不一定指向均值位置。顯然圖5和圖6兩種指示方式也可以結合起來使用，即用兩種指示符合并成一個指示器，此時可提供信息的位置增加，可選用浮動指針(線)(6-6)指示均值，而邊界線(6-4)、(6-5)作為方差值的指示等。二、條形圖復合指示 條形圖指示器在很多場合應用，特別是在計算機應用中。溫度計、液位計、高度計是典型的可采用條形指示符的儀表。圖2示意了一種常規的采用條形刻度盤的條形指示器，其中(2-1)是刻度盤上的刻度線，(2-3)是浮動指針(線)，(2-2)是浮動指示條，兩者也可以只選其一，此處為視覺醒目一起繪出。圖7示意了一種代表性的條形復合指示符，由圖2傳統的條形指示器改進形成。其中(7-1)是刻度線，浮動指針(7-3)和浮動指示條(7-2)的頂部指示了當前被測量的主信號值。浮動指針(7-4)標示的是瞬時信號值當前的位置，有代表最小最大值的邊線(7-5)、(7-6)界定的陰影區域，顯示了當前一段時間內被測量的變化范圍，其中也可以增加一個閃爍的浮動指針指示當前一段時間內瞬時信號值的均值位置。刻度盤左右兩邊的刻度線可以是一致的刻度比例，同時做為瞬時信號值和主信號值的指示參考。也可以選擇性地改變，比如左邊刻度線為瞬時信號值指示刻度，右邊為主信號值指示刻度。這樣可以單獨對指示刻度進行局部縮放， 以放大變化有利于區別觀察。三、矢量圖復合指示前述兩種被測數據都屬于標量型，但是在實際應用中往往也需要對矢量信號進行顯示。在平面坐標中、立體坐標或者極坐標中，對某些被測物理量進行矢量性質的顯示是各種設備中常用的方式之一，如通信測量設備中的星座圖、眼圖，雷達中的目標方位顯示圖
坐寸ο圖8是代表性的示例之一。直角坐標用1、Q表示，假設菱形線端的矢量(8-1)表示某測量值的理想位置，虛線圓形區間(8-9)界定了被測矢量的某種可接受值的范圍(或其它有關定義，決定于應用系統，其對應在1、Q上的投影區域分別為8-7、8-8)，圖中也繪出了矢量(8-1)在1、Q坐標軸上的投影位置；箭頭線端的矢量(8-3)表示了當前瞬時矢量的位置，圖中也繪出了它在1、Q軸上的投影位置；圓形線端的矢量(8-2)表示了當前主信號值的位置，圖中也繪出了其在1、Q軸上的投影位置；陰影區(8-4)表示當前一段時間內瞬時信號的變化范圍，其在1、Q軸的投影區域(8-5)、(8-6)則分別表示了矢量分解在1、Q后的變化范圍。這樣的顯示能夠使觀察者對所測信號的當前表現和變化一目了然，比如在1、Q軸上的移動情形、距離理想位置的距離等。上述顯示方式，均可以在一定程度上顯示快速變化、穩定變化以及短時統計信息和歷史信息，有助于觀察者全面了解被測量的變化并做出一定的預測。本專利所述的顯示(指示)方法，并不局限于文中涉及到的幾種常用形式，凡是將同一個被測量的多種中間處理值、不同處理結果值，同時在一個動態符號上視覺關聯地指示出來的方式，均符合本專利敘述的顯示(指示)特征。
本專利所述的被測物理參量除了常規的自然、人工實體中體現的物理學、化學、生物學參量外，也指任何其它性質的可由本專利所述的方法進行顯示的數據，如來自金融、氣象、人文、生產線、物流、生物學等存在變化和瞬時波動的社會信息和自然信息數據。
權利要求
1.一種物理參量測量值的復合指示方法，其主要特征是對同一物理參量的原始測量值(信號或者數據)進行多級不同的處理，分別獲取瞬時信號值、主信號值、信號的各種統計值等；瞬時信號值快速反映當前被測量值，主信號值準確穩定反映當前被測量值，統計值反映當前特定時間段內被測量的統計特性(包括平均值、均值、方差、包絡值、極大極小值等)；各值送到顯示器，分別轉換后驅動各自對應的瞬時信號值指示符、主信號值指示符、統計值指示符移動到刻度盤上對應的位置；各類型指示符的圖形特征(大小、形狀、色彩、紋理、閃爍頻率、位置等)不同，這些指示符疊加形成一個內容與視覺效果關聯的復合動態圖形符號。
2.根據權利要求1所述的一種物理參量測量值的復合指示方法: a)其中的物理參量指任何自然、人造實體能夠被儀器設備直接或間接測量、處理、顯示的參數，包括任何領域的物理學、化學、生物學等性質的參數； b)其中同一物理參量當前的測量值(信號或者數據)指當前由傳感器(或傳感器模塊、電路、設備)輸出的信號、數據，或者由接收機接收(接收模塊、電路)的信號或者數據，或者是其它方式來源的信號或數據；測量值可以是原始的信號或者數據，或者是經過預處理的信號或數據。
3.根據權利要求1所述的一種物理參量測量值的復合指示方法，其中對同一物理參量當前的測量值(信號或者數據)進行多級不同處理指經過不同的處理電路或者采用了不同的算法，或者采用了同樣算法但選取了不同的參數；這些處理電路和算法可以采用級聯模式或者并聯模式，可以位于測量(接收)系統中的任何位置。
4.根據權利要求1所述的一種物理參量測量值的復合指示方法，其中所述的動態圖形符號可以用于指針顯示方式，該方式由繞刻度盤中心轉動的瞬時信號值指針(或浮動指示線)及其刻度盤、主信號值指針(或浮動指示線)及其刻度盤，以及一個或者多個統計值顯示區域及刻度盤組成；各刻度盤可以具有一致刻度比例，也可以是不同刻度比例，或者是局部隨時變化的刻度比例。
5.根據權利要求1所述的一種物理參量測量值的復合指示方法，其中所述的動態圖形符號可以用于條形圖顯示方式，該方式由瞬時信號值浮動指針、主信號值浮動指針、以及一個或者多個統計值顯示區域和刻度盤組成，刻度盤上的刻度線可以隨時改變。
6.根據權利要求1所述的一種物理參量測量值的復合指示方法，其中所述的動態圖形符號可以用于矢量圖顯示方式，該方式由當前瞬時信號值的指示矢量、主信號值的指示矢量、統計值區域，及它們在各坐標軸上的投影組成。
全文摘要
本發明是一種物理參量測量值的顯示(指示)方法。通常在各類儀器儀表中，最終顯示值往往是被測參量經過多重處理后的結果。因為濾除了噪聲和快速波動因素，最終結果的指示相對準確、穩定，然而物理參量在原始的信號數據中包含了更多的信息或者能夠表現達成最終結果的過程信息，如果僅僅顯示最終的處理結果，將掩蓋掉中間過程，過濾掉一些重要細節，并造成一定延遲。本發明彌補這種缺陷，將通常最終處理的結果與中間過程、歷史信息一并采用復合顯示的方式同時指示出來，使得測量結果、過程、趨勢一目了然。
文檔編號G01D7/00GK103148882SQ201310009280
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月9日 優先權日2013年1月9日
發明者樊凌濤 申請人:華東理工大學