CN100504401C

CN100504401C - 一种三维波形实时显示方法和系统

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Publication number: CN100504401C
Application number: CNB2007101218032A
Authority: CN
Inventors: 叶芃; 曾浩; 张沁川; 黄建国; 王厚军
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Uni Trend Technology China Co Ltd
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: CN101149398A

Abstract

本发明公开了一种波形实时显示方法和系统，其方法为采集模块将采集的波形数据经样值存储器送入数字图像处理器，数字图像处理器将采集的波形数据存储在三维数据存储阵列器上，并在三维数据存储阵列器相应的位置上进行标记，再由显示控制模块将波形数据高速的送往后端，或直接进行显示；本系统采用并行的体系结构完成波形捕获和显示功能，突破了数据处理方面的瓶颈。本发明增强了显示更新能力，缩短了数据采集盲区，信号细节、间断事件和信号的动态特性都能采集。

Description

一种三维波形实时显示方法和系统

技术领域

本发明涉及一种测量仪器中波形实时显示方法及系统，尤其涉及高速数据采集中三维波形实时显示方法和系统。

背景技术

随着数字存储示波器技术的发展，当前的高档的数字荧光示波器不仅具有传统数字示波器波形处理、波形分析、波形存储的能力，更强调了实时波形显示、波形亮度等级等特点，配合高的采样率实现了对复杂信号、瞬变信号的捕获和观察。

目前，实时或准实时波形显示、波形亮度等级显示的技术被外国公司Tektronix、Agilent所掌握，国内企业生产的数字存储示波器普遍存在着一个主要的不足之处：即它们在波形捕获上花费的时间实际上只占实时事件的很小一部分。当数字存储示波器以每秒50～60次的速度更新波形显示时，给人以快速波形捕获的印象。实际示波器在捕获过程中漏失了大量的数据。例如，若数字存储示波器以50纳秒/格的扫描数度显示频率为10MHz波形，则每次显示更新都会显示该波形的5个周期，占500纳秒。每秒观测60次500纳秒意味着每秒钟内用了30微秒的时间捕获波形，它只占用了实时事件0.003％的时间来捕获波形。这几乎没法观察实时事件中的稀有事件。

传统的数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope，简称DSO)采用串行处理的体系结构来捕获、显示和分析信号；如图2所示。对所有的示波器而言，都存在着信号处理与显示时间，在这段时间内，仪器处理最近采集的数据，复位系统，等待下一触发事件的到来。这样，示波器对在这段时间内发生的所有信号都无法捕捉，处于一个采集的盲区。随着信号处理与显示时间的增加，对查看到低频度和低重复事件的可能性就会降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维波形显示方法和系统，其通过利用高速三维数据阵列存储器大大的改善了采集性能，系统输出的数据是一个完整的三维波形图，该波形由许多采集信号叠加而成。

本发明是采用下述技术方案实现三维波形显示的：

一种三维波形实时显示方法，其步骤为：

1)采集模块在微处理器和触发模块控制下对模拟信号进行采样，并将采集的波形数据经样值存储器输入到数字图像处理器；

2)数字图像处理器将采集的波形数据存储在三维数据存储阵列器中，并在三维数据存储阵列器相应的位置上采用记录其出现的概率方式进行标记；

3)显示控制模块控制并输出存储在三维数据存储阵列器中的波形数据到显示器。

所述三维数据存储阵列器为单口RAM三维数据存储阵列器或双口RAM三维数据存储阵列器。

所述的方法中数字图像处理器在波形绘制时采用点模式绘制或矢量模式绘制。

所述的方法中三维数据存储阵列器所需的存储容量为：L×2^N×C/8个字节，其中L为采集深度，N为采集模块的分辨率，C为数据出现的概率。

所述显示处理模块对波形数据进行转换，将出现的概率转换为对应的色彩，概率的大小对应色彩的深浅。

所述的方法中触发模块的触发方式包括自动触发或单次触发；触发模块的触发深度包括延迟触发或预触发。

所述的方法中数字图像处理器将映射的波形数据在三维数据存储阵列器相应的位置上进行标记的方法为：数字图像处理器将采集模块采样的数据直接映射为显示屏中波形显示区内相应的象素状态信息，存入三维数据阵列存储器的三维数据库中；数据库中都有独立的存储单元，每一个单元代表着屏幕中的某位置。

所述模拟信号为经调理模块调理后的信号。

所述微处理器为数字信号处理器。

一种三维波形实时显示系统，包括：采集模块、样值存储器、数字图像处理器、三维数据存储阵列器、显示控制模块、微处理器、触发模块、显示器，其特征在于

采集模块分别与样值存储器经数据线连接，与触发模块经信号控制线连接；

样值存储器分别与数字图像处理器经数据线连接，与触发模块经数据线和信号控制线连接；

数字图像处理器分别与三维数据存储阵列器由数据线连接，与触发模块经信号控制线连接；

三维数据存储阵列器分别与显示控制模块由数据线连接，与触发模块经信号控制线连接；

显示控制模块与显示器经数据线连接；

微处理器分别与显示器经数据线连接，与触发模块经地址总线和数据线连接。

所述三维数据存储阵列为单口RAM三维数据存储阵列器或双口RAM三维数据存储阵列器。

所述的系统中三维图像处理器在波形绘制时采用点模式绘制或矢量模式绘制。

所述的系统中三维图像处理器将映射的波形数据在三维数据存储阵列相应的位置上采用记录其出现的概率方式进行标记。

所述的系统中三维数据存储阵列所需的存储容量为：L×2^N×C/8个字节，其中L为采集深度，N为采集模块的分辨率，C为数据出现的概率。

所述触发模块的触发方式包括自动触发或单次触发；触发模块的触发深度包括延迟触发或预触发。

所述的系统还包括还包括一触发通道和一信号调理通道，所述信号调理通道分别与所述采集模块经信号线连接，与所述触发通道经信号线连接，与触发模块经控制信号线连接；所述触发通道与所述触发模块经信号线连接。

所述的系统还包括一锁相环，所述锁相环与所述采集模块经信号线连接。

所述微处理器为数字信号处理器。

本发明的体系结构可为DSO提供独特的波形捕获和显示能力，加速重构信号，本发明采用并行的体系结构完成这些功能，如图1所示。采集模块将采集的波形数据经样值存储器送入数字图像处理器，样值存储器可以存储与触发事件相关的波形数据，数字图像处理器将采集的波形数据存储在三维数据存储阵列器上，并在三维数据存储阵列器相应的位置上进行标记，再由显示控制模块将波形数据高速的送往后端，或直接进行显示。触发模块在微处理器控制下实现对采样时钟的管理、触发深度的控制(实现延迟触发、预触发)等。三维数据存储阵列器主要进行波形数据存储。本发明的核心——数字图像处理器(Digital GraphicProcessor，简称DGP)——采用可编程逻辑器件的硬件构架捕获波形，提供高速率的波形采集率，从而增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性，信号的可视化程度很高。数字图像处理器将采集的波形数据存储在三维数据存储阵列器上，并在三维数据存储阵列器相应的位置上进行标记，其原理为：DGP将采集模块采样的数据直接映射为彩色液晶显示屏中波形显示区内相应的象素状态信息，存入三维数据阵列存储器中；微处理器与DGP系统一道并行工作，完成显示管理、自动测量和设备调节控制工作，同时，又不影响示波器的采集速度，并在三维空间显示信号：时间、幅度和以时间为参变量的幅度变化；针对示波器显示屏幕的每一个点，其实质是不断更新的数据库，三维数据阵列存储器中都有独立的存储单元，每一个单元代表着屏幕中的某位置，一旦采集到波形，波形数据就映射到三维数据阵列存储器的单元组内；当波形涉及到该单元，单元内部就加入亮度信息；没有涉及到则不加入。因此，如果波形经常扫过的地方，亮度信息在单元内会逐步累积。当三维数据阵列存储器内的信息传送到示波器的显示屏后，根据各点发生的信号频率的比例，显示屏展示加入亮度形式的波形区域。

假设三维数据阵列存储器中数据存储深度为L(由显示整幅波形的总样值数确定，可看作图像的长)，采集模块的分辨率N(2^N可看作图像的宽)，数据出现的概率为C，则所需的存储容量为：L×2^N×C/8个字节。例如，存储深度为500，采集模块的分辨率为8，数据出现的概率用16位宽的数值表示，则所占用的存储容量是：250KByte；该三维图像可看作是在时间轴上有500个时间点；每个时间点上有256个存储单元形成，它代表的是在这个时间点上的幅度信息；每个存储单元占16位，用来表示多幅波形叠加在一起，同一个幅度值出现的概率。

在实际实现时，三维数据阵列存储器中的相邻存储位置对应于三维图像的宽，即2^N，且绘制工作按从上到下，从左到右的方式进行，则当一次采集的L个数据(其大小用X_i表示，i从0到L-1)按时间顺序依次进入数字图像处理器时，则第i列恰好对应于X_i，处理器将根据X_i的值绘制第i列，第X_i行存储单元。

既然存储器中的相邻存储位置对应于三维图像的宽2^N，则每列的起始地址是2^N的整数倍，即第i列的起始地址为：256×i，那么当X_i到达数字图像处理器时，对应的存储位置是：

P_i＝256×i+X_i

P_i＝K_i+X_i

其中K_i＝K_i-1+2^N，K₀＝0

在绘制三维波形图中，特别在刷新屏幕后又重新采集数据并绘制时，应该首先清除三维数据阵列存储器的内容，以后绘制时，它将读取位图的原有内容，加1，并将结果写回同样的存储单元，直到下一次刷新屏幕。这样在屏幕刷新一次的时间S内，整个采集系统可能已经采集了M屏数据，这M屏数据都叠加到了三维数据存储阵列器中，存储单元中保存了在屏幕一次刷新的时间内该波形数据点出现次数。若实际实现时采用的是单口RAM作三维数据存储阵列器，则采集系统会在每次屏幕刷新时间T内关闭，等待波形显示处理模块以每秒L×2^N×C/8/T的数据传输率读取图像，更形屏幕波形，同时要对读取的数据进行转换，即将出现的单纯的概率转换为对应的色彩。数据值大的对应波形数据点出现的概率高，相应的波形颜色要深，而数据值小的对应波形数据点出现的概率低，相应的波形颜色要浅。若实现时采用了双口RAM作三维数据存储阵列器，则即使是在波形显示处理模块读取图像，更新屏幕波形的时间内，采集系统也可继续工作。

对应于数字存储示波器的矢量和点显示模式，在波形绘制时，对点模式就只需要绘制对应信号某一点的时间和幅度上的存储单元，而在矢量显示模式下，数字图像处理器将绘制每一列中对应的信号的最大和最小值之间的所有存储单元。

本发明的积极效果：

本发明可以以每1/30秒(这大约是人类眼睛能够觉察到的最快速度)的速度将存储到三维数据阵列存储器中的波形数据直接送到显示器。波形数据直接转换，以及直接把三维数据库中波形数据拷贝到显存中，两者共同作用，改变了其他体系在数据处理方面的瓶颈，其结果是增强了显示更新能力，缩短了数据采集盲区，信号细节、间断事件和信号的动态特性都能采集。本系统可以实现连续的波形数据采集(采用双口RAM)，或者只在屏幕更新期间暂停(采用单口RAM)，因此在实时采集时将可能达到最大的波形捕获速率，且没有漏掉任何一次触发事件。

附图说明

图1.本发明的原理框图

图2.传统数字存储示波器的系统框图

具体实施方式

本发明的体系结构可为DSO提供独特的波形捕获和显示能力，加速重构信号，本发明采用并行的体系结构完成这些功能，如图1所示。本发明采用ATMEL公司型号为AT84AD001的A/D采样与样值存储器进行信号采集和样值存储，其包括采集模块和样值存储器，分辨率是8BIT，最高采样率是1GSPS，数据输出速率可降为500MHz，其接口支持LVDS，微处理器采用一款高性能的数字信号处理器(DSP)。

而现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)采用ALTERA公司的StratixIII系列的FPGA，它具有经过优化的三种型号，其中StratixIII E系列的FPGA专门增强了存储器和数字信号处理器资源，适用于对存储和DSP要求较高的应用。其中含有21Mbit的存储器，性能超过600MHz，提供了双端口RAM支持。同时它还支持包括双数据流速率(Dual Date Rate，简称DDR)在内的外部动态随机存储器(Dynamic Random-AccessMemory，简称DRAM)和静态随机存储器(Static Random-Access Memory，简称SRAM)接口、高速低电压差分接口(LVDS)、锁相环(PLL)时钟管理。

在实时采样方式下，模拟信号经过前端信号调理通道的调理进入A/D采样与样值存储器，A/D采样与样值存储器将以1GSPS的速率采样信号，并通过LVDS接口，以500MHz的速率送到数字图像处理器。同时数字信号处理器通过控制触发模块实现对A/D采样与样值存储器的触发方式(自动、单次)、触发深度(延迟触发、预触发)等的控制。数据流经过A/D采样与样值存储器存储与触发事件相关的波形数据后送入数字图像处理器，后者实时的实现了对每个波形数据的映射，并在三维数据存储阵列器相应的位置上进行标记(记录其出现的次数，记录的次数不同，也即反映出波形在这一位置上出现概率的大小，在液晶屏上就表现为颜色的深浅)。由于采用了双口RAM作三维数据存储阵列器，那么对于显示控制模块，就只需要在屏幕波形刷新期间，将波形数据最快的传送到屏幕；或者直接送到外围的高速存储器中，由数字信号处理器来进行后端处理。

Claims

1.一种三维波形实时显示方法，其步骤为：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述三维数据存储阵列器为单口RAM三维数据存储阵列器或双口RAM三维数据存储阵列器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于数字图像处理器在波形绘制时采用点模式绘制或矢量模式绘制。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于三维数据存储阵列器所需的存储容量为：L×2^N×C/8个字节，其中L为采集深度，N为采集模块的分辨率，C为数据出现的概率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述显示处理模块对波形数据进行转换，将出现的概率转换为对应的色彩，概率的大小对应色彩的深浅。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于触发模块的触发方式包括自动触发或单次触发；触发模块的触发深度包括延迟触发或预触发。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于数字图像处理器将映射的波形数据在三维数据存储阵列器相应的位置上进行标记的方法为：数字图像处理器将采集模块采样的数据直接映射为显示屏中波形显示区内相应的象素状态信息，存入三维数据阵列存储器的三维数据库中；数据库中都有独立的存储单元，每一个单元代表着屏幕中的某位置。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述模拟信号为经调理模块调理后的信号。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述微处理器为数字信号处理器。

10.一种三维波形实时显示系统，包括：采集模块、样值存储器、数字图像处理器、三维数据存储阵列器、显示控制模块、微处理器、触发模块、显示器，其特征在于

显示控制模块与显示器经数据线连接；

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述三维数据存储阵列为单口RAM三维数据存储阵列器或双口RAM三维数据存储阵列器。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于三维图像处理器在波形绘制时采用点模式绘制或矢量模式绘制。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于三维图像处理器将映射的波形数据在三维数据存储阵列相应的位置上采用记录其出现的概率方式进行标记。

14.如权利要求10或11所述的系统，其特征在于三维数据存储阵列所需的存储容量为：L×2^N×C/8个字节，其中L为采集深度，N为采集模块的分辨率，C为数据出现的概率。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述显示处理模块对波形数据进行转换，将出现的概率转换为对应的色彩，概率的大小对应色彩的深浅。

16.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述触发模块的触发方式包括自动触发或单次触发；触发模块的触发深度包括延迟触发或预触发。

17.如权利要求10所述的系统，其特征在于还包括一触发通道和一信号调理通道，所述信号调理通道分别与所述采集模块经信号线连接，与所述触发通道经信号线连接，与触发模块经控制信号线连接；所述触发通道与所述触发模块经信号线连接。

18.如权利要求10所述的系统，其特征在于还包括一锁相环，所述锁相环与所述采集模块经信号线连接。

19.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述微处理器为数字信号处理器。