一種基于LCD的動態壓力校準方法的實現

陳滿妮++李秋生+盧清++蔡崗

摘 要：針對儀器長期使用磨損導致測量精度下降的問題，該文利用鍵盤和液晶顯示器構成的友好人機交互功能，采用折線插值算法，設計了一個條理清晰、結構簡單的動態壓力校準菜單。在介紹不帶字庫的液晶顯示漢字、字符、圖片及動畫等各要素的原理和實現方法的基礎上，重點討論了傳感器非線性校準—折線插值算法的原理及設計實現過程，并借助數據結構中樹的模型闡述了結構化菜單的設計思路及設計方法。實際項目應用表明，該動態壓力校準方法比普通一鍵歸零壓力校準方法具有更強的適應能力和較高的實用價值。

關鍵詞：液晶；折線插值算法；動態壓力校準；結構化菜單

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

0.引言

目前，國內外許多先進的智能儀器、儀表在測量精度和采樣速率等方面有較高的性能指標，同時在人機交互的友好性方面也有許多獨特之處。人機對話接口是實現操作人員與工業設備之間進行信息交流的橋梁，在很多場合下，良好的圖形用戶界面（GUI）和良好的操作環境將會為新產品的順利誕生產生意想不到的效果。自20世紀以來，傳感器的動態校準逐漸成為計量測試領域中較為活躍的課題，國內對此研究雖然起步較晚，但也逐漸取得了許多令人滿意的成果。目前主要的動態壓力定性校準方法有：激波管法、落錘、快開閥法和正弦壓力發生器法及氣動沖擊法。北京理工大學的方繼明和張訓文通過對平臺壓力發生器法和離散式正弦壓力發生器法的性能分析，證明它是一種較理想的應用校準方法，屬于定量壓力校準。

目前大部分的壓力測量系統都具有校準功能，但一般就一個簡單歸零按鈕，內部固化了出廠時的校準數據，但長期的使用將導致儀器磨損，原來固化的校準數據往往已不符合現階段的校準要求，從而導致測量不準確等問題。隨著液晶顯示器的普及和微處理器系統向高速度和大容量方向發展，嵌入式系統的人機交互功能得到了顯著的提高。因此，設計一種動態獲取校準數據，實現儀器實時校準的人機交互結構化菜單已成為當今國內外工業智能儀器生產廠商的迫切需要。本文基于一款不帶字庫的SO-LCM12864液晶顯示模塊，采用應用折線插值算法，設計了一個動態存取校準數據，從而實現動態壓力校準功能的人機交互菜單。

1. LCD液晶顯示器

目前，用于顯示功能的電子產品很多，常用的有液晶LCD和數碼管LED。盡管數碼管LED顯示方便且結構簡單，但是功能單一，無法滿足大容量、復雜的顯示要求。而LCD12864的分辨率達到了128×64，對于8×16的字符可以顯示128個字符，而對于16×16的字體可顯示32個漢字，基本能夠滿足大部分設備的顯示要求。SO-LCM12864是一款128×64點陣的液晶顯示模塊，不帶中文字庫，如果要顯示中文菜單則必須在程序中包含相關的中文字庫代碼。反顯，是液晶顯示器常用的一種顯示功能。普通情況是白底黑字顯示，而反顯是黑底白字顯示。反顯的效果在菜單的瀏覽及選擇時會非常直觀，反顯的一行即為當前有效行，可對其進行子菜單操作。

采用取模軟件，則可將字模信息還原成相應的字符、漢字或圖像。在字模軟件的文字編輯區輸入要取模的內容，若為漢字，則獲取16×16點陣代碼；若為字符或數字，則獲取8×16點陣代碼。圖片的顯示也是一樣的，圖片的顯示模式可以根據尺寸的不同大小進行取模，從而實現全屏顯示、部分小屏顯示和圖文同屏顯示等等。動畫的顯示可通過giftool動畫制作工具把一個動畫進行取幀，從而獲得其不同狀態下的靜態圖片，然后按照靜態圖片顯示方法，讓動畫靜態圖片按取幀的先后順序進行短暫的延時顯示，即可觀察到動畫效果。

2.折線插值算法

由于大部分傳感器并非都是純線性的，或多或少都存在一定的非線性性，即被測物理量與轉換后的數字量之間不是嚴格的線性關系。為了減小測量誤差，需對儀器進行標定。如果要對每一個測量值進行標定是不現實的，而實際可行的標定方法是：在被測物理量的檢測范圍內，按規律選取若干個檢測點進行標定，而未標定到的點則通過判斷它所處的標定區間，在該區間上近似為線性關系，從而推出對應關系。本文的壓力測試實驗是測試孕婦宮縮的壓力，壓力范圍較小，所以選擇的標定范圍為0～500g，系統設計采用的是10位的ADC，進行了11點的均勻標定操作。

標定的其中一個量叫被測物理量yi（i=0，1，2，……，n）的大小，另一個量是對應的A/D轉換結果xi（i=0，1，2，……，n）的大小。實際測量的時候先將輸入信號A/D值和A/D轉換結果進行比較，找到該值的所在區間，然后根據區間端點（xi，yi）與（xi+1，yi+1）求出對應的直線方程，最好得出當前信號 A/D值所對應物理量（壓力）的準確值。實際函數關系y=f（x），插值函數關系y=g（x）。用直線方程y=g（x）來逼近實際曲線方程y=f（x）的方法就是折線插值算法的核心思想。試驗中區間端點間隔取的是固定值，原因是實驗使用的是FSS1500NSB觸力傳感器，它由美國Honeywell公司所生產，其線性度良好，所以采用均勻分布來標定儀器是可行的。

3.動態壓力校準實現

3.1 結構化菜單設計思路

在設計菜單之前，應先對系統的功能和要求進行合理的規劃，分析各項功能及其隸屬關系，這樣設計出來的菜單稱之為結構化菜單。采用數據結構中樹的模型來分析結構化菜單中的各級子菜單之間的關系：一級菜單可視之為樹根，二、三級菜單可視之為子孫節點，同級菜單則視之為兄弟節點。對于本壓力采集系統的嵌入式程序設計，采用的是狀態標志跳轉方法來實現。通過模式鍵進行菜單瀏覽，而反顯行表示當前選中的可操作項，需進入對應的子菜單按確定鍵。

3.2 動態壓力校準實現

系統采用按鍵模塊和液晶顯示模塊組成友好的人機交互界面。其中按鍵模塊由5個按鍵構成，分別是：模式鍵、確定鍵、向上鍵、向下鍵和定位鍵。首先通過模式鍵和確定鍵選擇進入壓力校準（Load_Cal）菜單，即壓力校準界面，此時壓力的AD值在LCD上不停地刷新，然后通過定位鍵反顯提示和確定鍵標定這11個校準點，若指定點校準成功，即AD值已成功寫入到EEPROM非易失性存儲器中，延時片刻將會出現“OK”提示，否則將會是“Cal error！”提示寫入失敗。另外，當操作未完成11個點的校準而試圖退出校準模式時，也會出現“Cal error！”提醒，這時需再按下模式鍵（MODE），系統將會自動跳到壓力校準菜單界面讓用戶繼續未完成的校準工作。而當11個校準點的數據均已成功存入EEPROM中，再按一次模式鍵（MODE）則退出進入正常壓力顯示菜單時，此時屏幕上顯示的測量壓力值是經過校準后的壓力，實驗證明經過校準后的壓力值將會使測量更加準確。由于從EEPROM存儲芯片中讀寫數據都需要一定的時間，所以在對EEPROM進行讀寫操作的前后須添加一個適當的延時，以避免出錯。

由此可見，采用樹形結構設計方法，設計出的動態壓力校準菜單結構簡單、條理清晰且獨立性強，能夠讓使用者輕松、快速地掌握其操作方法。更重要的是，它可以重復進行多次校準，以適用不同的使用環境，在保證測量精度的同時正做到讓用戶滿意。

結語

本文對動態壓力校準菜單的設計實現做了較為詳細的說明，通過采用樹形結構設計和折線插值算法，設計出的動態壓力校準菜單操作便捷，解決了儀器由于磨損和使用環境不同使得儀器的測量基準點改變的情況，使儀器更加符合現實環境的應用。動態壓力校準方法相比一鍵歸零的校準方法具有更強的適應能力和更高的實用價值，并在實際項目中得到了良好的應用。

參考文獻

[1]方繼明，張訓文.動態壓力校準技術的適用性分析和新技術展望[J].計測技術，2012（S1）：19-22.

[2]陳滿妮，趙治棟.便攜式宮縮壓力監測系統的研發[J].杭州電子科技大學學報，2012（5）：85-88.

[3]郭雯婷，一種嵌入式系統液晶顯示菜單結構的實現方法[J].系統仿真技術，2010，6（1）：80-84.