CN102075774B

CN102075774B - 一种数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法

Info

Publication number: CN102075774B
Application number: CN2010105935286A
Authority: CN
Inventors: 田书林; 叶芃; 郭连平; 蒋俊; 邱渡裕; 张沁川; 曾浩; 向川云; 杨扩军
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: US8648887B2; CN102075774A; US20120154452A1

Abstract

本发明公开了一种数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法，通过在FPGA中构造一个ROM，作为当前亮度档位L下次数N(T，A)对应的LCD屏幕显示亮度值查找表，其中ROM划分为2^a个容量为2^b×dbit的子ROM，与当前亮度档位L对应的子ROM，记为subROM_L；将round(p_L·N(T，A))赋值给显示波形亮度值D(T，A)，按照b位二进制数递增的顺序对应存储在2^b×dbit的subROM_L中，这样就可以通过b位代表次数N(T，A)的二进制地址寻址查表subROM_L得到当前亮度档位L下的对应波形亮度值D(T，A)，这样就不需要使用FPGA中的乘法器了，同时，只要将档位值L以及波形在时刻T和幅度A条件下的次数N(T，A)分别作为ROM高a位和低b位查找构造的ROM，即可找到对应波形亮度值D(T，A)，因此，比起复杂的乘法计算，显示波形亮度的调节简单而快速。

Description

一种数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法

技术领域

本发明属于数字三维示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种数字三维示波器中显示波形亮度的快速调节方法。

背景技术

数据采集系统中，未知信号经过数字三维示波器模拟通道进行幅度调整，然后经模数转化器(ADC)采样、量化、编码之后，输出一定位数与信号幅度相关的二进制数据，称之为输入信号的采样值。

如果直接从这一系列的二进制数据中提取出输入信号的幅度、频率等信息，是比较困难的，我们需要一种更为简单直接的方式。一般数据采集系统利用数据处理器件，如FPGA、DSP等按照一定规则将采样值转化成为更为直观的图像显示在显示屏，现在主要是液晶显示屏，即LCD上，用户可以直接从LCD上观察得到信号所携带的信息。

目前，以数字示波器为代表的数据采集系统都可以连续调节LCD上显示波形的亮度，以得到满足不同需要的显示效果。在数字存储示波器(DSO，DigitalStorage Oscilloscope)数据处理及显示机制中，波形显示只提供了输入信号的幅度及时间的二维信息，没有第三维信息(幅度随时间变化关系)的累加，LCD上的波形显示只有“有”、“无”颜色两个状态，没有“有”并且“多深”的信息。因此，在DSO的显示波形亮度调节过程中，波形整体按照一定的比例变亮或者变暗，此时的波形亮度调节并没有太大的意义。

以泰克公司的数字荧光示波器(DPO，Digital Phosphor Oscilloscope)为代表的第三代示波器(《GB/T 15289-2009数字存储示波器通用规范》中定义为数字三维示波器(DTO，Digital Three-dimensional Oscilloscope))，在数据处理和显示机制上与DSO有着较大的差别。

数字三维示波器数据处理系统将ADC高速采样得到的波形采样值经过多次映射，将多幅波形累加成为一幅包含输入信号三维信息，即幅度、时间、幅度随时间变化关系的图像送到LCD显示。此时LCD上显示的是包含了波形概率信息的图像，即在波形出现概率高的地方会以较深的颜色表征出来，反之，波形出现概率低的地方表征颜色就较浅。基于LCD的显示原理，波形的颜色深浅一一对应于相应的显示亮度。因此，DTO中实现连续波形亮度就有着实际的意义。比如在观测连续复现的周期信号中可能存在的某些异常波形时，由于异常波形出现的概率远远低于周期信号连续复现的概率，于是在某些显示亮度档位下，无法观测到颜色很浅的异常波形，此时，用户需要保持屏幕波形原有亮度层次的前提下，按照一定的比例增加显示波形的亮度，这样做不仅保持了波形概率的显示亮度对比，而且方便了用户对低概率波形的观测与分析，进一步得出故障信息并做出及时的更正。

将波形统计数据以符合当前亮度档位的显示亮度显示在LCD上，一般采用将统计数据按照一定比例放大或者缩小转化为相应的LCD三原色(RGB)值。假设波形在时刻T，幅度A出现的次数为N(T，A)，最终显示在LCD上对应某种颜色的波形亮度值为D(T，A)，对应于当前亮度档位L的比例值为p_L，则有以下关系：

D(T，A)＝p_L·N(T，A) (1)

在数字三维示波器处理系统中，式1的运算可以在数字信号处理器，即DSP中完成，亦可以在现场可编程门阵列，即FPGA中完成。由于DSP的运算速度远低于FPGA，因此，通常选择在FPGA中完成式1的运算。

在式1中，比例值p_L对应于当前亮度档位L，一般数据采集系统都采用百分比(1％～100％)的方式来标识亮度档位。若在数字三维示波器系统中采用了M个亮度档位，即当前亮度档位L(0≤L≤M-1)对应M个不同的比例值p_L。由于比例值p_L不可避免地会出现小数，同时由于在FPGA中一般难以实现小数的乘法。如果采用分数运算的方式处理小数运算，即令：

p_{L} = \frac{n_{L}}{m_{L}} - - - (2)

其中n_L，m_L为整数，且互质，则有：

D (T, A) = p_{L} \cdot N (T, A) = \frac{n_{L}}{m_{L}} \cdot N (T, A) - - - (3)

式3的运算过程中会出现整数的乘法与除法。由于在FPGA中除法运算的速度远低于乘法速度，导致整个数据处理过程的速度下降。同时，由于数字三维示波器系统有多个信号通道，每个通道波形显示的处理过程几乎完全独立，这样就需要较多的FPGA内置乘法器来分别完成式3中的乘法运算，而一般FPGA中内置乘法器资源有限，可能无法满足这一需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种完全不占用FPGA内置乘法器的数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法。

为实现上述目的，本发明数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法，包括以下步骤：

(1)、数字三维示波器的亮度等级为M个档位，取

其中

表示取不大于log₂M的最大整数；

数字三维示波器在波形信息映射累加过程中采用b位二进制数来统计波形在时刻T和幅度A条件下的次数N(T，A)；

(2)、在FPGA中构造一个ROM，作为当前亮度档位L下次数N(T，A)对应的LCD屏幕显示亮度值查找表：ROM地址为c＝a+b位；其中，0≤L≤M-1；

将ROM划分为2^a个容量为2^b×d bit的子ROM，与当前亮度档位L对应的子ROM，记为subROM_L；

将round(p_L·N(T，A))赋值给显示波形亮度值D(T，A)，按照b位二进制数递增的顺序对应存储在2^b×dbit的subROM_L中，这样就可以通过b位代表次数N(T，A)的二进制地址寻址查表subROM_L得到当前亮度档位L下的对应波形亮度值D(T，A)；其中，round(*)表示对括号中小数按照四舍五入的原则化成整数，p_L为当前亮度档位L的比例值；

(3)、在进行显示波形亮度的调节时，数字三维示波器发出表征当前亮度档位L的a位二进制数作为ROM的c位地址中的高a位，寻址到相应的子ROMsubROM_L，将b位波形统计次数N(T，A)作为ROM的低位地址，在子ROM subROM_L寻址到当前亮度档位L下对应波形亮度值D(T，A)，并进行显示。

本发明的发明目的是这样实现的：

数字三维示波器中，多次的波形映射累加统计了一定时间间隔内波形在特定时间和幅度范围内出现的次数，如何利用统计次数简单快速地转化为与当前用户设置亮度档位相符的波形显示亮度，是本发明需要解决的问题。在现有技术中，如果采用FPGA中的乘法器来实现将统计次数转化为与当前用户设置亮度档位相符的波形显示亮度，转化速度慢，实现也比较复杂，且FPGA内置乘法器资源有限，有时候还无法满足转化的需求。

而本发明数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法，通过在FPGA中构造一个ROM，作为当前亮度档位L下次数N(T，A)对应的LCD屏幕显示亮度值查找表，其中ROM划分为2^a个容量为2^b×dbit的子ROM，与当前亮度档位L对应的子ROM，记为subROM_L；将round(p_L·N(T，A))赋值给显示波形亮度值D(T，A)，按照b位二进制数递增的顺序对应存储在2^b×dbit的subROM_L中，这样就可以通过b位代表次数N(T，A)的二进制地址寻址查表subROM_L得到当前亮度档位L下的对应波形亮度值D(T，A)，这样就不需要使用FPGA中的乘法器了，同时，只要将档位值L以及波形在时刻T和幅度A条件下的次数N(T，A)分别作为ROM高a位和低b位查找构造的ROM，即可找到对应波形亮度值D(T，A)，因此，比起复杂的乘法计算，显示波形亮度的调节简单而快速。

附图说明

图1是本发明数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法的原理示意图；

图2是本发明子ROM的结构示意图；

图3是10％亮度档位下的波形图；

图4是20％亮度档位下的波形图；

图5是30％亮度档位下的波形图；

图6是50％亮度档位下的波形图；

图7是70％亮度档位下的波形图；

图8是100％亮度档位下的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法的原理示意图。

数字三维示波器采用亮度等级M个档位，取

，其中

表示取不大于log₂M的最大整数。数字三维示波器在波形信息映射累加过程中采用b(b∈N)位二进制数来统计波形在时刻T和幅度A条件下的次数N(T，A)，即N(T，A)最大值为2^b-1，其中b的大小根据实际情况进行设置。由式3可知，在某个特定p_L值下，n_L，m_L由p_L唯一确定，波形统计次数N(T，A)的取值范围为0～2^b-1计2^b个数据，相应最终显示的波形亮度值D(T，A)也具有与之一一对应的2^b个结果。同时，固定统计次数N(T，A)，系统连续调节亮度档位L，p_L在相应的M个值中变化，乘积产生M个对应不同亮度档位L值的波形亮度值D(T，A)，表征了LCD显示屏幕上对应于同一N(T，A)的M个显示亮度层次。

在FPGA中构造这样一个ROM，作为不同L值下次数N(T，A)对应的LCD屏幕显示亮度值查找表：ROM地址为c＝a+b位，一个存储单元可以存储d位二进制波形亮度值D(T，A)，d由选用的LCD确定，所需资源为2^a+bb×d bit，如图1。

由图1知，数字三维示波器发出表征亮度档位L的a位二进制数作为ROM的c位地址中的高a位，将b位波形统计数据作为ROM的低位地址。

接下来对ROM中存储数据结构进行说明。

图2是本发明子ROM的结构示意图；

首先可将ROM划分为2^a个容量为2^b×dbit的子ROM，与亮度档位L对应，记为subROM_L，本系统中只有前M个有效，即subROM₀～subROM_M-1，如图1。利用ROM c位地址中的高a位寻址这M个subROM_L。用户调节亮度档位L时，系统会发出表示M个档位的L＝0～M-1等M个a位二进制数作为高位地址寻址到相应的subROM_L。

式3中，如果L不同，p_L值也不同，则对应于同一个N(T，A)值的D(T，A)也是不同的。若固定亮度档位，式3中的p_L值固定，对应于输入范围在0～2^b-1共2^b个数据的波形出现统计次数N(T，A)，输出乘积也有2b个一一对应的结果。将这2^b个乘积取整后，即将round(p_L·N(T，A))，按照b位二进制数递增的顺序对应存储在2^b×dbit的subROM中，这样就可以通过b位代表统计数据N(T，A)的二进制地址寻址查表得到档位p_L值下的对应波形亮度值D(T，A)。其中，round(*)表示对括号中小数按照四舍五入的原则化成整数，具体结构如图2。

在数字三维示波器中，对于M个亮度档位的M个p_L值(p₀～p_M-1)，就会存在M个如图2所示的大小相同而内容不同的subROM_L，即subROM₀～subROM_M-1。M个这样的subROM_L组合构成前面提及的2^a+b×dbit大小的ROM，可通过a+b位地址直接完成与式3中p_L值和N(T，A)对应的波形亮度存储单元的寻址，得到存储的d位波形亮度值D(T，A)。

实例

在本实例中，将本发明数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法应用于两通道数字三维示波器中。在该数字三维示波器中，采用M＝100个亮度档位，则a＝[log₂100]+1＝7。利用b＝6位二进制数统计波形出现次数，最大值为63，超过63的以63计。最终波形亮度值采用d＝8位二进制数记录，两个通道分别采用两个相同的ROM查找表，所需总的FPGA存储器资源为2×2^a+b×dbit＝2×2⁷⁺⁶×8bit＝16KB。整个ROM寻址过程完全不需要乘法器，而且这样获得比乘法器运算更快的速度。

图3到图8是亮度档位在10％、20％、30％、50％、70％、100％的波形显示。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、数字三维示波器的亮度等级为M个档位，取

其中

表示取不大于log₂M的最大整数；

将ROM划分为2^a个容量为2^b×dbit的子ROM，与当前亮度档位L对应的子ROM，记为subROM_L；

将round(p_L·N(T，A))赋值给显示波形亮度值D(T，A)，按照b位二进制数递增的顺序对应存储在2^b×dbit的subROM_L中，这样就可以通过b位代表次数N(T，A)的二进制地址寻址查表subROM_L得到当前亮度档位L下的对应波形亮度值D(T，A)；其中，round(^*)表示对括号中小数按照四舍五入的原则化成整数，p_L为当前亮度档位L的比例值，d为波形亮度值D(T，A)的位数，由选用的LCD确定；

(3)、在进行显示波形亮度的调节时，数字三维示波器发出表征当前亮度档位L的a位二进制数作为ROM的c位地址中的高a位，寻址到相应的子ROMsubROM_L，将b位波形统计次数N(T，A)作为ROM的低位地址，在子ROM subROM_L中寻址到当前亮度档位L下对应波形亮度值D(T，A)，并进行显示。

2.根据权利要求1所述数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法，其特征在于，所述的在时刻T和幅度A条件下的次数N(T，A)如果超过2^b-1，则取值为2^b-1。