DE3611681A1 - Digitales messverfahren zur quasianalogen messwertanzeige - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Meßverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Mit digitalen Meßverfahren können einerseits numerische, andererseits aber auch quasianaloge Meßwertanzeigen rea­ lisiert werden. Eine Kombination beider Anzeigen erlaubt ein sehr genaues und leichtes Ablesen des numerisch an­ gezeigten Meßwertes und eine grobe Abschätzung des Abso­ lutwertes sowie seiner Änderungstendenz auf der analogen Anzeige.

Ein Display zur Darstellung quasianaloger Meßvorgänge besteht aus mehreren, kettenförmig aneinandergereihten Leuchtdioden oder Flüssigkristallsegmenten, die, wie z. B. in der DE-PS 21 41 361 beschrieben, über eine elek­ tronische Schaltung einzeln ansteuerbar sind. Flüssig­ kristalle werden nicht nur wegen ihres geringen Lei­ stungsbedarfs bevorzugt, sondern haben auch den Vorteil, daß die einzeln ansteuerbaren Flächensegmente in ihrer Form nahezu beliebig an den jeweiligen Anwendungsfall anpaßbar sind.

Zur Nachbildung einer bestimmten Zeigerstellung wird jeweils das Flächensegment eines Flüssigkristall-Dis­ plays angesteuert, dessen Lage der zu simulierenden Zei­ gerstellung am nächsten kommt. Wird nicht nur dieses eine Flächensegment, sondern werden alle davor liegenden Flächensegmente angesteuert, so spricht man von einer Balkenanzeige oder Bandanzeige, die den Meßwert auch aus größerer Entfernung noch erkennbar macht.

Aus der DE-OS 34 08 026 ist ein digitales Meßgerät be­ kannt, bei dem eine numerische Anzeige mit einer quasia­ nalogen Anzeige kombiniert ist. Die Meßwertskala gibt aus einem vorgegebenen Gesamtmeßbereich einen veränder­ baren, entsprechend gespreizten Meßbereichsausschnitt wieder. Man darf hierbei nicht übersehen, daß die qua­ sianaloge Meßwertanzeige auf einem digitalen Meßverfah­ ren beruht. Es gibt somit keine stetige Stellungsände­ rung des Meßwertzeigers, sondern dieser kann nur ent­ sprechend der Lage der vorgegebenen Zeigersegmente in Sprüngen seine Position wechseln. Die Zahl seiner mögli­ chen Sprünge bzw. die Zahl der ansteuerbaren Zeigerseg­ mente bestimmt die Auflösung der Quasianaloganzeige. Diese ist im allgemeinen wesentlich geringer als die Auflösung der digitalen Ziffernanzeige.

Z. B. können einer Ziffernanzeige, die eine Auflösung von ± 30 000 Digit hat, folgende Zeigerauflösungen gegen­ überstehen:

Man sieht, daß bei einem Spreizungsfaktor von 10 auf einen Zeiger 50 Digit entfallen. Ist der Spreizungsfak­ tor 1, d. h. erfolgt keine Spreizung, dann entfallen sogar 500 Digit auf einen Zeiger.

Eine direkte Umsetzung der Digitalanzeige in Zeigerstel­ lungen bedeutet, daß am Umschaltpunkt zwischen zwei Zei­ gern bereits ein Digit die Umschaltung herbeiführt. Es ist jedoch irritierend, wenn Schwankungen von einem Di­ git bereits eine Umschaltung der Zeigerstellung bewirken können, da unter Berücksichtigung der Zeigerauflösung der Eindruck erweckt wird, als wäre die vorliegende Meß­ wertänderung wesentlich größer, im Extremfall um den Faktor 500. Besonders bedenklich wird eine so empfindli­ che Umschaltung der Zeigerposition durch den Umstand, daß ein Digit Unsicherheit bereits durch die AD-Wandlung verursacht werden kann. Unsicherheiten von einem oder mehreren Digit ergeben sich auch bereits dadurch, daß die Ziffernanzeige der Digitalanzeige aus mindestens acht Einzelmeßwerten gemittelt wird und somit selbst bei absolut stabiler Ziffernanzeige die Quasianaloganzeige um einen Zeiger hin und her springen könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Meßverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, mit dem eine Umschaltung der Zeigerposition bei einer quasianalogen Meßwertanzeige in Anpassung an ihre Auflö­ sung erfolgt. Dabei sollen störende oder sogar irrefüh­ rende Effekte, wie sie vorstehend beschrieben wurden, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Der Zeigermittenabstand ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Zeigersegmenten von ihrer Mitte aus gemes­ sen. Geht man davon aus, daß die einzelnen Zeigerseg­ mente so dicht nebeneinander liegen, daß der Abstand ihrer Außenkanten zueinander vernachlässigbar ist, so entspricht der Zeigermittenabstand der Zeigerbreite. Im Normalfall würde das Zeigersegment umgeschaltet, sobald der Meßwert den durch die Zeigerbreite symbolisierten Bereich nach unten oder oben überschreitet. Der durch ein Zeigersegment abgedeckte Anzeigebereich entspricht somit ± 1/2 des Zeigermittenabstandes. Erfindungsgemäß wird jedoch zu dem halben Zeigermittenabstand noch ein weiterer Bruchteil eines Zeigermittenabstandes als Hy­ sterese addiert, bevor der Steuerbefehl zur Ansteuerung eines anderen Zeigersegments gegeben wird. Somit kann eine Umschaltung zwischen zwei Zeigern erst erfolgen, wenn der Meßwert um deutlich mehr als einen halben Zei­ germittenabstand zu- oder abgenommen hat.

Als zweckmäßiger Wert für die Hysterese werden 0,25 des Zeigermittenabstandes festgelegt, so daß der Steuerbefehl zur Umschaltung eines Zeigersegments gegeben wird, so­ bald sich der Meßwert um ± 0,75 des Zeigermittenabstands ändert.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Hysterese von der Bedingung abhängig zu machen, daß die Änderung des Meß­ wertes kleiner als ein Zeigermittenabstand ist, so daß sie bei größeren Meßwertänderungen entfällt.

Bei größeren Meßwertänderungen, die entsprechend langsam ablaufen, verhält sich die quasianaloge Meßwertanzeige ähnlich wie ein analoges Meßwerk. Durch die Umschaltung der Zeigerstellung scheint der Zeiger ständig dem Meßwert zu folgen. Bei schneller Meßwertänderung kann jedoch, bedingt durch die relativ langsame Wandlungsrate von ca. 20/s (entsprechend ca. 50 ms) die Zahl der vom AD-Wandler ausgegebenen Meßwertpunkte geringer als die Zahl der Zeigerpositionen sein, die zwischen dem alten und dem neuen Meßwert liegen. Damit ergibt sich insbe­ sondere für sprunghafte Meßwertänderungen ein stark lüc­ kenhaftes Springen der Zeigermarke, was bei einer analo­ gen Darstellung irritierend ist. In vorteilhafter Wei­ terbildung des Erfindungsgegenstandes ist deshalb vorge­ sehen, die entstehenden Lücken dadurch zu vermeiden, daß zwischen zwei Folgemeßwerten für den Zeitraum eines Meß­ zyklus zusätzlich zu dem neuen, dem Meßwert entsprechen­ den Zeigersegment auch alle zwischen dem alten und dem neuen Zeigersegment liegenden übrigen Zeigersegmente angesteuert werden. Dadurch entsteht ähnlich wie beim Analogmeßwerk ein dynamischer Wischeffekt der Zeigermar­ ke, der ein Verfolgen auch schnell veränderlicher Meß­ wertänderungen ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Hilfe von Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Meßgerätes, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt

Fig. 2 eine Verdeutlichung der Hysterese beim Um­ schalten zwischen zwei benachbarten Zeigerseg­ menten

Fig. 3 die Verdeutlichung des Wischeffektes bei einer schnellen Meßwertänderung vom Meßwert a zum Meßwert b

Fig. 4 das Ablaufdiagramm für die Zeigerhysterese

Fig. 5 das Ablaufdiagramm für das Zeigerwischen

Fig. 6 eine Darstellung zur Verdeutlichung der ver­ wendeten Symbole.

Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält eine Meßeingabeein­ heit 10 einen Meßbereichsschalter 25, der mit Hilfe von Spannungsteilern R _T ein Eingangssignal U _e anpaßt und einem aktiven Filter 36 zuführt. Das Filter 36 ist ein Tiefpaß zweiter Ordnung und hat die Aufgabe das dynami­ sche Verhalten eines Drehspulmeßwerkes zu simulieren. Der zum Tiefpaß gehörige Operationsverstärker V 1 weist ein gutes dynamisches Verhalten auf und sorgt für eine geringe Belastung des Spannungsteilers R _T. An den als Buffer geschalteten zweiten Operationsverstärker V 2 sind keine hohen dynamischen Anforderungen zu stellen, er sorgt jedoch für geringe Bias- und Offsetfehler. Die Beschaltung des ersten Operationsverstärkers mit RC- Gliedern ermöglicht eine Unterdrückung der Wechselspan­ nungssignale, so daß am Ausgang des aktiven Filters nur ein Gleichspannungssignal anliegt. Soll ein Wechsel­ spannungssignal gemessen werden, so muß eine Umschaltung vor dem aktiven Filter erfolgen, derart, daß das Ein­ gangssignal U _e einem Effektivwertumformer zugeführt wird, der eine dem Effektivwert des Wechselspannungssig­ nals proportionale Gleichspannung dem Filter 36 zuführt. Hinter dem Filter 36 wird das Meßsignal in einem 16-Bit-A/D-Wandler 37 umgesetzt, der mindestens 20 Mes­ sungen pro Sekunde wandeln kann. Die Referenzspannungs­ quelle ist bei diesem A/D-Wandler bereits integriert, ebenso auch der Taktgenerator, der ein Clock- und Sta­ tus-Signal entsprechend den Wandlungsraten an einen nachgeschalteten Mikrocomputer 11 abgibt.

Der Mikrocomputer besteht im vorliegenden Fall aus einer Porterweiterung 11 a, einem ersten Mikroprozessor 11 b und einem zweiten Mikroprozessor 11 c. Der Mikrocomputer steuert durch ein entsprechendes Programm den gesamten Meßablauf des digitalen Meßgerätes. Der erste Mikropro­ zessor 11 b korrespondiert einerseits mit dem A/D-Wandler 37 und andererseits über die Porterweiterung 11 a mit der Meßeingabeeinheit 10 und dem Keyboard 13. Liegen gültige Meßwerte am A/D-Wandler vor, so gibt der durch einen Quarz Q taktstabilisierte erste Mikroprozessor 11 b über die Start-Konvertleitung den Befehl zum seriellen Einle­ sen der Daten des Meßwertes. Weiterhin wird über die Porterweiterung 11 a das Schalterwort in den ersten Mi­ kroprozessor übernommen. Das aufbereitete Schalterwort umfaßt 6 Bytes und erfaßt die Stellung des Meßbereichs­ schalters 25 der Meßeingabeeinheit 10, des Zoom-Schal­ ters, des Modeschalters und des Referenz-Set-Schalters. Dieses Schalterwort, der 2 Bytes umfassende Meßwert und die 2 Bytes umfassenden Steuerdaten werden an den zwei­ ten Mikroprozessor 11 c übergeben, sobald dieser zur Da­ tenaufnahme bereit ist.

Die Porterweiterung 13 ermöglicht es, die Vielzahl der im Schalterwort zu berücksichtigenden Schalterstellungen mit Hilfe von Multiplexern auf wenige Eingänge des er­ sten Mikroprozessors 11 b zu reduzieren. Die Wirkungsweise der am Keyboard 13 vorgesehenen Schalter wurde bereits vorstehend beschrieben. So wird über den Zoom-Schalter die Skalendehnung bestimmt, der Mode- Schalter erlaubt eine Einschaltung der automatischen Skalenwahl, wobei eine Skalenumschaltung nach Verzöge­ rungszeiten von 1, 2 oder 5 Sekunden erfolgt und der Ref-Set-Schalter ermöglicht das Einstellen eines Refe­ renzwertes mit Hilfe der in Fig. 1 angedeuteten Refe­ renzwert-Eingabetaster 20.

Am ersten Mikroprozessor 11 b ist noch ein Piper 38 ange­ schlossen, der die Abgabe eines akustischen Signals ermöglicht, z. B. bei Erreichen, Über- oder Unterschrei­ ten eines Referenzwertes. Durch Änderung der Signalfre­ quenz kann auch ein sich Nähern an den bzw. Entfernen vom Referenzwert signalisiert werden.

Die wesentliche Arbeit bei der Darstellung des Meßwertes auf dem Display 7 übernimmt der zweite Mikroprozessor 11 c. Dieser ist einerseits mit dem ersten Mikroprozessor 11 b über einen Datenbus und Steuerleitungen verbunden und gibt entsprechend dem ihm vorgegebenen Programm sei­ ne Anweisungen an LCD-Treiber, die ihrerseits unmittel­ bar auf die Segmente des LCD-Displays wirken.

Eine quasianaloge Meßwertanzeige entsprechendem Display 7 nach Fig. 1 ist vergrößert in Fig. 2 dargestellt. Das Beispiel geht von insgesamt 60 Zeigersegmenten aus, denen 30 000 Digit zugeordnet sind. Dargestellt ist eine Skala, die von 0 bis + 20 000 und von 0 bis -10 000 Digit reicht. Auf einen Zeigermittenabstand entfallen somit 500 Digit. Dementsprechend beträgt ein halber Zeigermit­ tenabstand 250 Digit und ein Viertel Zeigermittenabstand 125 Digit. Die Hysterese ist sowohl bei steigendem, als auch bei fallendem Meßwert jeweils auf ein Viertel des Zeigermittenabstandes festgelegt. Ein Steuerbefehl zur Umschaltung von einem Zeigersegment auf das nächste wird somit bei + oder - 0,75 des Zeigermittenabstandes ent­ sprechend + oder - 375 Digit gegeben. Die Zeile A in Fig. 2 kennzeichnet das jeweilige Zeigersegment, die Zeile B läßt die Zahl der zugeordneten Digit erkennen, in der Zeile C sind die einzelnen Zeigersegmente und ihre Umschaltpunkte in Digit dargestellt, wie sie sich ohne Hysterese ergeben würden und in den Zeilen D und E sind die Umschaltpunkte in Digit mit Hysterese gekenn­ zeichnet, wobei gleichzeitig eine Überlappung der jewei­ ligen Schaltpunkte, also die Hysterese H sichtbar wird.

In Fig. 4 ist das Ablaufdiagramm der vom Mikrocomputer 11 vorzunehmenden Berechnungen und Entscheidungen darge­ stellt. Eine Definition der verwendeten Zeichen erfolgt mit Hilfe von Fig. 6. Danach sind:

W 1 Anfangswert der Skala W 2 Endwert der Skala Wx Aktueller Meßwert Z Zeigersegment Z _t Aktuelles Zeigersegment Z _t-1 letztes Zeigersegment Zm Zeigermittenabstand R nicht ganzzahliger Restwert n Anzahl der Zeigerschritte

Nach der Meßwertübernahme und einer Mittelwertbildung sorgt der Mikrocomputer zunächst für die Digitalanzeige. Im Rahmen des Gesamtprogramms erfolgt dann eine Abarbei­ tung des Unterprogramms zur Erzeugung der Hysterese. Im Block 1 von Fig. 4 ist die Grundbedingung zur Ansteuerung das den aktuellen Meßwert W _x repräsentieren­ den Zeigersegments Z festgelegt. In Block 2 erfolgt die Auswertung entsprechend der jeweiligen Meßwertänderung, wobei der ganzzahlige Anteil (in Zeigermittenabständen gerechnet) nach Block 1 eine Änderung des Zeigersegments Z zu dem aktuellen Zeigersegment Z _t bewirkt. Aus dem nicht ganzzahligen Teil wird ein Restwert R gebildet. Im Block 3 wird geprüft, ob das aktuelle Zeigersegment nie­ driger als das letzte Zeigersegment liegt. Wenn ja wird nach Block 4 entschieden, ob der verbleibende nicht ganzzahlige Restwert R kleiner als 0,75 des Zeigermit­ tenabstandes ist. Sollte das nicht der Fall sein, so wird das nächst höhere Zeigersegment angesteuert. An­ dernfalls bleibt das letzte Zeigersegment unverändert angesteuert. In den Blöcken 6, 7 und 8 wiederholen sich die gleichen Entscheidungen bei steigender Meßwertände­ rung. Nach Durchlauf des Entscheidungsdiagrammes beginnt der Zyklus von vorne.

Fig. 3 verdeutlicht den dynamischen Wischeffekt, durch den das Zeigerspringen vermieden werden soll. Es ist eine Skala für einen Meßbereich von 50 bis 100 mit zwei Meßzeigern a und b dargestellt. Die Zeigerposition a repräsentiert den Meßwert, der in einem ersten Meßzyklus ermittelt wird und die Zeigerstellung b repräsentiert einen Meßwert, der sich nach einer schnellen Meßwertän­ derung ergibt. Die schnelle Meßwertänderung läuft in drei Meßzyklen ab. Im ersten Meßzyklus wird nur die Zei­ gerposition a und im dritten Meßzyklus wird nur die Zei­ gerposition b dargestellt. Im dazwischenliegenden Meß­ zyklus 2 werden alle zwischen a und b liegenden Zeiger­ segmente einschließlich dem Zeigersegment b angesteuert. Hierdurch ergibt sich ein dynamischer Wischeffekt.

Ein Ablaufdiagramm zur Erzeugung des Wischeffektes ist in Fig. 5 dargestellt. Die Blöcke 1 und 2 entscheiden, ob der dem aktuellen Zeigersegment Z _t entsprechende Meß­ wert größer oder kleiner als der dem letzten Zeigerseg­ ment Z _t-1 entsprechende Meßwert ist. Sofern er größer ist, werden, wie im Block 4 verdeutlicht, ausgehend von dem dem letzten Zeigersegment folgenden Zeigersegment bis zum aktuellen Zeigersegment alle Zeigersegmente an­ gesteuert. Entsprechendes gilt, wenn der dem aktuellen Zeigersegment entsprechende Meßwert kleiner ist als der dem letzten Zeigersegment, entsprechende Meßwert. Auch hier werden alle Zeigersegmente vom letzten bis zur ak­ tuellen Zeigersegment, außer dem letzten Zeigersegment selbst angezeigt. Wird weder die Bedingung nach Block noch nach Block 2 erfüllt, so bleibt das letzte Zeiger­ segment angesteuert. Der Zyklus beginnt nunmehr von vor­ ne.

Claims (6)

1. Digitales Meßverfahren zur quasianalogen Meß­ wertanzeige mit einem Display, auf dem eine Meßskala und aneinandergereihte, ansteuerbare Zeigersegmente ange­ ordnet sind und durch ihre Position den anzuzeigenden Meßwert repräsentieren und die Auflösung der quasianalo­ gen Meßwertanzeige von der Zahl der innerhalb einer dar­ zustellenden Meßspanne ansteuerbaren Zeigersegmente ab­ hängt und diese Auflösung wesentlich geringer als die Auflösung ist, mit der der A/D-Wandler arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerbefehl zur Ansteuerung eines aktuellen Zeigersegments (Z _t) mit einer Hysterese (H) beaufschlagt ist, die dafür sorgt, daß eine Umschal­ tung von einem letzten Zeigersegment (Z _t-1) zu einem aktuellen Zeigersegment (Z _t) erst erfolgt, wenn der ak­ tuelle Meßwert (W _x) um deutlich mehr als einen halben Zeigermittenabstand (Z _m) zu- oder abgenommen hat.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hysterese (H) sowohl bei steigendem als auch bei fallendem Meßwert (W _x) auf je 0,25 des Zei­ germittenabstands (Z _m) festgelegt ist, so daß der Steuer­ befehl zur Umschaltung eines Zeigersegments gegeben wird, sobald sich der Meßwert (W _x) um + oder - 0,75 des Zeigermittenabstands (Z _m) ändert.

3. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeigerhysterese (H) von der Bedingung abhängig gemacht wird, daß die Änderung des Meßwertes (W _x) kleiner als ein Zeigermit­ tenabstand (Z _m) ist und bei größeren Meßwertänderungen entfällt.

4. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer schnellen Änderung des Meßwertes, bei der das anzusteuernde neue Zeigersegment (b) um mehr als einen Zeigermittenabstand (Z _m) vom alten Zeigersegment (a) entfernt liegt, während des Zeitraumes eines Meßzyklus einige, vorzugsweise al­ le, zwischen dem alten und dem neuen Zeigersegment lie­ genden Zeigersegmente auch dann angesteuert werden, wenn aufgrund der niedrigen Wandlungsrate keine Zwischenwerte erfaßt werden.

5. Meßverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im letzten Zyklus vor einer Meßwertände­ rung nur das den Meßwert repräsentierende Zeigersegment (a) angesteuert wird, daß im Zyklus während der Meßwert­ änderung das den neuen Meßwert repräsentierende Zeiger­ segment (b) und alle zwischen dem alten und dem neuen Zeigersegment liegenden Zeigersegmente angesteuert wer­ den und im folgenden Zyklus nur noch das neue Zeigerseg­ ment (b) angesteuert wird.

6. Digitale Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Meßwerteingabeeinheit (10) vorgesehen ist, die zur Anpassung des Meßwertes dient und deren Ausgangssignal einerseits zur Erfassung der Bereichsparameter unmittelbar und andererseits unter Zwischenschaltung einer Anpaßschaltung und eines A/D- Wandlers einem Mikrokomputer (11) zugeführt ist, der die Umsetzung des Meßwertes in einzelne zur Aktivierung der Flächensegmente des Displays (1) erforderliche Steuer­ signale bewirkt und über einen Anzeigentreiber (12) die­ sem zuführt, wobei über eine Bedienungseinheit (13) dem Mikroprozessor (11) verschiedene den Meßbereich, die Spreizung des Meßbereichausschnittes und weitere die Ansteuerung der Flächensegmente bestimmende Parameter vorgebbar sind und der Mikrokomputer (11) prüft, ob die Voraussetzungen zur Umschaltung von einem Zeigersegment auf das nächste gegeben sind und ob gegebenenfalls wäh­ rend eines Meßzyklus mehrere Zeigersegmente gleichzeitig anzusteuern sind.