CN102841229B - 一种用于虚拟示波器的波形显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟示波器的波形显示方法，包括以下步骤：10）判断虚拟示波器接收的波形信号是否为周期信号，如果是周期信号，则进入步骤20），如果不是周期信号，则直接显示所接收的信号；20）判断虚拟示波器接收的周期信号的路数，如果是一路周期信号，则进入步骤30），如果是n路周期信号，n≥2，则进入步骤40）；30）测算一路周期信号中的最优重绘点数；40）测算n路周期信号中的最优重绘点数；50）显示波形。该波形显示方法可以使一路周期信号向某一指定方向移动或多路周期信号能最大数量地向某一指定方向移动，从而改善虚拟示波器的视觉效果。

Description

一种用于虚拟示波器的波形显示方法

技术领域

本发明涉及虚拟示波器领域，具体而言，涉及一种用于虚拟示波器的波形显示方法。

背景技术

虚拟示波器是当今仪器技术的发展热点之一，很多工业设备都需要将工况波形显示及保存，如风电变流器等。对于具有实时监控功能的虚拟示波器软件，其数据采集和波形显示的实时性和稳定性要求更高。如果采用定时重绘的方式，高精度定时会导致较高的处理器占有率，另外，计算机和外部采集设备间的时钟不同步也会导致固定时间内虚拟示波器软件接收到的数据量不完全一致，从而造成显示波形的晃动。为了使周期波形平稳地显示，一般采用定点重绘的方式，即每接收到固定的重绘点数后重绘一次波形。

采用定点重绘波形时，由于重绘点数选取的不同会出现视觉上同一路周期信号有时静止、有时向左移动、有时向右移动或有时波形反向的情况，虽然实际上这些波形一直是在向左移动的；对于多路不同频率的周期信号，当放在同一个坐标轴上同时进行显示时，也会出现上述波形运动方向不定的视觉效果，界面比较混乱。

因此，迫切需要一种用于虚拟示波器的波形显示方法来解决以上问题，优化波形的显示方式，改善波形的视觉效果。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于虚拟示波器的波形显示方法，该波形显示方法可以使一路周期信号向某一指定方向移动或多路周期信号能最大数量地向某一指定方向移动，从而改善虚拟示波器的视觉效果。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的用于虚拟示波器的波形显示方法，该波形显示方法包括以下步骤：

一种用于虚拟示波器的波形显示方法，其特征在于：该波形显示方法包括以下步骤：

10）判断虚拟示波器接收的波形信号是否为周期信号，如果是周期信号，则进入步骤20），如果不是周期信号，则虚拟示波器直接显示所接收的信号；

20）判断虚拟示波器接收的周期信号的路数，如果是一路周期信号，则进入步骤30），如果是n路周期信号，n≥2，则进入步骤40）；

30）测算一路周期信号中的最优重绘点数：虚拟示波器接收的波形信号的信号频率为f,采样周期为I，则

其中，N表示波形在一个周期内的点数，根据波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，测算出波形往某一指定方向移动的重绘点数区间与显示区间的交集，选择交集中的最大值作为最优重绘点数，进入步骤50）；

40）测算n路周期信号中的最优重绘点数：虚拟示波器接收的波形信号的信号频率为f,采样周期为I，则

其中，N表示波形在一个周期内的点数，根据波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，分别测算n路周期信号往某一指定方向移动的重绘点数区间与显示区间的交集，交集表示为I₁、I₂、…、I_n，再取交集I₁、I₂、…、I_n的公共交集P，判断P是否为空集，如果P是非空集，那么取P中的最大值为最优重绘点数；如果P是空集，那么对显示区间采用从大到小遍历的方法，测出满足波形移动条件的周期信号路数最多的最大值，作为最优重绘点数，进入步骤50）；

50）显示波形：将最优重绘点数作为定点，利用定点重绘方法将虚拟示波器接收到的总线数据以波形方式显示。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

1.使一路周期信号向某一指定方向移动或多路周期信号能最大数量地向某一指定方向移动。现有技术中波形显示方法会使波形随意的移动，如果在一个界面上同时显示多路不同频率的波形，就会导致有的静止、有的向左移、有的像右移、有的反转，界面非常不协调。采用本发明的波形显示方法，波形移动的大体趋势是一致的，使一路周期信号向某一指定方向移动或多路周期信号能最大数量地向某一指定方向移动，视觉效果会比较舒服。对多路不同频率的周期信号寻找一个公共的重绘点数可以使得大部分波形在视觉上往某一指定方向较为缓慢而稳定的移动效果，优化了波形的显示方式。

2.设置不同的重绘点数可以实现虚拟示波器上的波形在视觉上往某一指定方向较为缓慢而稳定的移动效果。本发明的波形显示方法中，通过设定波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，可以实现按照人们的意愿，波形向左移动或是向右移动。

3.本发明的显示方法还提供了一种周期信号及其频率的判断方法，该方法简单、易于实现且实时性较好，为波形显示方法提供了测算基础。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明优选的判断周期信号的流程框图。

图3是本发明中在一路周期信号中，测算最优重绘点数的流程框图。

图4是本发明中在多路不同频率的周期信号中，测算最优重绘点数的流程框图。

图5是本发明中，当重绘点数满足Mod=0时的静止视觉效果图。

图6是本发明中，当重绘点数满足Mod-N/2<0时的左移视觉效果图。

图7是本发明中，当重绘点数满足Mod-N/2>0时的右移视觉效果图。

图8是本发明中，当重绘点数满足Mod-N/2=0时的上下翻转视觉效果图。

图9是本发明实施例中五路不同频率的周期信号波形右移区间与显示区间的交集示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的一种用于虚拟示波器的波形显示方法，包括以下步骤：

10）判断虚拟示波器接收的波形信号是否为周期信号，如果是周期信号，则进入步骤20），如果不是周期信号，则虚拟示波器直接显示所接收的信号。

在步骤10）中，判断虚拟示波器接收的信号是否为周期信号的方法有多种，例如过零点法、采样信号频谱分析及功率谱估计等。本发明优选如下方法判断虚拟示波器接收的信号是否为周期信号。如图2所示，该判断方法包括以下步骤：

101）在虚拟示波器接收的信号中，记录其中数据的多个极大值，并记录这些极大值出现的位置；

102）测算所记录的极大值的平均值，如果极大值与极大值的平均值之差超过设定值的数量大于30%，则虚拟示波器接收的信号为非周期信号，信号频率为0；如果极大值与极大值的平均值之差超过设定值的数量小于等于30%，则进入步骤103);

103）测算相邻两个极大值之间的位置间隔δ，如果δ超过间隔设定值的数量大于30%，则虚拟示波器接受的信号为非周期信号，信号频率为0；如果δ超过间隔设定值的数量小于等于30%，则为周期信号，周期信号的信号周期依据式（1）测算，周期信号的信号频率依据式（2）测算：

$T=\frac{N_{\mathrm{fi}}\&times;I}{N_{\max }-1}$ 式（1）

$f=\frac{1}{T}$ 式（2）

其中，T表示信号周期，f表示信号频率，N_fl表示出现极大值的第一个位置和最后一个位置之间的间隔，I表示采样周期，N_max表示极大值的个数。

20）判断虚拟示波器接收的周期信号的路数，如果是一路周期信号，则进入步骤30），如果是n路周期信号，n≥2，则进入步骤40）。

30）测算一路周期信号中的最优重绘点数：虚拟示波器接收的波形信号的信号频率为f,采样周期为I，则

其中，N表示波形在一个周期内的点数，根据波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，测算出波形往某一指定方向移动的重绘点数区间与显示区间的交集，选择交集中的最大值作为最优重绘点数，进入步骤50）。

步骤30）的流程框图如图3所示。在步骤30）中，重绘点数是指在前一次波形显示以后，经过多少点数再次绘制波形。显示区间是指两次绘制波形的时间间隔除以采样周期。波形的视觉移动方向与重绘点数的关系如下：

A.若Mod=0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置一致，从视觉上来看，波形静止不动；

B.若Mod-N/2<0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置相差小于半个周期，由于波形的峰峰值一直往左移动，从视觉上来看，波形向左漂移；

C.若Mod-N/2>0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置相差大于半个周期，由于波形的峰峰值一直往右移动，从视觉上来看，波形向右漂移；

D.若Mod-N/2=0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置相差等于半个周期，从视觉上来看，波形上下翻转。

其中，N表示波形在一个周期内的点数，Mod为重绘点数对N取余数。取余数是数学运算符的一种，定义为：对任意整数a和b，b＞0，存在唯一的整数q和r，使a＝bq+r，其中0≤r＜b，这个事实称为带余除法定理,其中r称为a对b的余数.比如：21对20的余数是1，19对20的余数是19。Mod也就是前后两次绘制波形时，起始点落在波形一个周期内的位置之差。

40）测算n路周期信号中的最优重绘点数：虚拟示波器接收的波形信号的信号频率为f,采样周期为I，则

其中，N表示波形在一个周期内的点数，根据波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，分别测算n路周期信号往某一指定方向移动的重绘点数区间与显示区间的交集，交集表示为I₁、I₂、…、I_n，再取交集I₁、I₂、…、I_n的公共交集P，判断P是否为空集，如果P是非空集，那么取P中的最大值为最优重绘点数；如果P是空集，那么对显示区间采用从大到小遍历的方法，测出满足波形移动条件的周期信号路数最多的最大值，作为最优重绘点数，进入步骤50）。

步骤40）的流程框图如图4所示。如果P是非空集，那么说明P中的每一个值都能使n路周期信号往某一指定方向移动。如果P是空集，那么说明P中找不到一个数值可以对所有波形都满足往某一指定方向移动的条件。在步骤40）中，对显示区间采用从大到小遍历，举例来说，显示区间为[150,260],那么从大到小遍历就是从260、259、258、…、150，每一个对应的点数都测算一次此时有几路信号满足往某一指定方向移动的条件。

50）显示波形：将最优重绘点数作为定点，利用定点重绘方法将虚拟示波器接收到的总线数据以波形方式显示。

定点重绘方法是现有技术，就是以某一点为定点，重新绘制波形。在本发明中，不管一路周期信号还是n路周期信号，都是以最优重绘点数作为定点。本发明的显示方法可以实现尽可能多的波形，甚至是全部波形都平滑而稳定地向某一指定方向移动。

本发明中的虚拟示波器首先将多个外设的多路总线数据接收到缓冲区，当接收点数达到重绘点时，启动波形显示程序。由于外设在不断地采集并发送数据，软件接收缓冲区数据在实时更新，绘图界面上的波形也就随之变化。观察发现，对于某一周期信号，在绘制波形时，前后两次绘制起始点在波形一个周期内的相对位置对视觉效果有重要影响，也即重绘点数是波形显示效果的关键参数。设某一周期信号频率为f，根据采样频率可算出一个周期内的采样点数N。设重绘点数为M，M对N取余数为Mod。举例说明：对于50Hz的周期信号，采样频率为1ms时，一个周期可以采集20个点，即N=20。根据以上分析可知，当重绘点数为20个时，由于Mod=0，如图5所示，视觉观察波形静止。当重绘点数为21个时，Mod为1，由于Mod-N/2<0，如图6所示，视觉观察波形往左移动。当重绘点数为19个时，Mod为19，由于Mod-N/2>0，如图7所示，视觉观察波形往右移动；当重绘点数为10个时，Mod为10，由于Mod-N/2=0，如图8所示，视觉观察波形上下翻转。

下面给出一个测算一路周期信号中的最优重绘点数的实施例。

外设定时1ms发送一次数据，信号频率为50Hz，测算出波形在一个周期内的点数N为20。如果要求虚拟示波器从视觉上来看波形向右漂移，需要满足Mod-N/2>0的条件，也即重绘点数在区间[11,19]、[31,39]、[51,59]、[71,79]、[91,99]、[111,119]、[131,139]、[151,159]、[171,179]、[191,199]、[211,219]、[231,239]、[251,259]、[271,279]……中选择。经过多次测试表明，显示区间，也即两次重绘的时间间隔，在150ms-260ms为宜。两次重绘的时间间隔过长，给人感觉波形移动不平滑。两次重绘的时间间隔过短，则屏幕闪烁较为严重。以采样周期1ms计算，显示区间为[150,260]。最终，波形右移区间与显示区间的交集为[151,159]、[171,179]、[191,199]、[211,219]、[231,239]、[251,259]，取其中的最大值259为最优重绘点数，采用定点重绘的方式，完成虚拟示波器的波形显示。

针对多路不同频率的周期信号，本发明需要寻找一个公共的重绘点数M，由于待测信号频率各异，M值可能并不满足对于所有信号均向某一指定方向移动，但可以保证使大多数信号稳定地往某一指定方向移动。下面给出一个测算五路周期信号中的最优重绘点数的实施例。

外设定时1ms发送一次数据，波形有正弦波，三角波和方波，波形频率有50Hz、47Hz、40Hz、33Hz、20Hz。如果要求虚拟示波器从视觉上来看波形向右漂移，显示区间仍取为[150,260]，分别计算五路周期信号右移的重绘区间与显示区间的交集，参见图9。从图9可以看出，在显示区间内，五路周期信号波形右移的公共区间为空集，无法找到一个重绘点数满足所有波形均往右移动。根据上述最优重绘点数算法，199满足使除47Hz之外的所有周期信号波形右移且运动最为平稳，因此采用199作为重绘点数绘制波形。

在具体实施例中，由于信号频率不固定，一个周期的点数也不固定，当信号频率变化时，满足要求的重绘点数也需要动态的调整。为了防止重绘点数频繁改变，当本次测算的重绘点数与当前使用的重绘点数不一致时，采取以下策略保证波形的连贯性：

（1）若当前重绘点数符合波形移动要求，则保持当前重绘点数不变；

（2）若当前重绘点数不符合波形移动要求，则保留计算值。若连续3次以上出现计算值优于当前值的情况，则用计算值替换当前值。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于虚拟示波器的波形显示方法，其特征在于：该波形显示方法包括以下步骤：

10）判断虚拟示波器接收的波形信号是否为周期信号，如果是周期信号，则进入步骤20），如果不是周期信号，则虚拟示波器直接显示所接收的信号；

所述的步骤10）中，判断虚拟示波器接收的信号是否为周期信号的方法是：

101）在虚拟示波器接收的信号中，记录其中数据的多个极大值，并记录这些极大值出现的位置；

102）测算所记录的极大值的平均值，如果极大值与极大值的平均值之差超过设定值的极大值数量占极大值总数量大于30%，则虚拟示波器接收的信号为非周期信号，信号频率为0；如果极大值与极大值的平均值之差超过设定值的极大值数量占极大值总数量小于等于30%，则进入步骤103);

103）测算相邻两个极大值之间的位置间隔δ，如果位置间隔δ超过间隔设定值的位置间隔数量占位置间隔总数量大于30%，则虚拟示波器接收的信号为非周期信号，信号频率为0；如果位置间隔δ超过间隔设定值的位置间隔数量占位置间隔总数量小于等于30%，则为周期信号，周期信号的信号周期依据式（1）测算，周期信号的信号频率依据式（2）测算：

$T=\frac{N_{\mathrm{fi}}\&times;I}{N_{\max }-1}$   式（1）

$f=\frac{1}{T}$   式（2）

其中，T表示信号周期，f表示信号频率，N_fi表示出现极大值的第一个位置和最后一个位置之间的间隔，I表示采样周期，N_max表示极大值的个数；

20）判断虚拟示波器接收的周期信号的路数，如果是一路周期信号，则进入步骤30），如果是n路周期信号，n≥2，则进入步骤40）；

30）测算一路周期信号中的最优重绘点数：虚拟示波器接收的波形信号的信号频率为f,采样周期为I，则其中，N表示波形在一个周期内的点数，根据波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，测算出波形往某一指定方向移动的重绘点数区间与显示区间的交集，选择交集中的最大值作为最优重绘点数，进入步骤50）；

所述的步骤30）中，波形的视觉移动方向与重绘点数的关系如下：

A.若Mod=0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置一致，从视觉上来看，波形静止不动；

B.若Mod-N/2<0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置相差小于半个周期，由于波形的峰峰值一直往左移动，从视觉上来看，波形向左漂移；

C.若Mod-N/2>0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置相差大于半个周期，由于波形的峰峰值一直往右移动，从视觉上来看，波形向右漂移；

D.若Mod-N/2=0，则前后两次绘制的起始点在一个信号周期内的位置相差等于半个周期，从视觉上来看，波形上下翻转；

其中，N表示波形在一个周期内的点数，Mod为重绘点数对N取余数；

40）测算n路周期信号中的最优重绘点数：虚拟示波器接收的波形信号的信号频率为f,采样周期为I，则

其中，N表示波形在一个周期内的点数，根据波形的视觉移动方向与重绘点数的关系，分别测算n路周期信号往某一指定方向移动的重绘点数区间与显示区间的交集，交集表示为I₁、I₂、…、I_n，再取交集I₁、I₂、…、I_n的公共交集P，判断公共交集P是否为空集，如果公共交集P是非空集，那么取公共交集P中的最大值为最优重绘点数；如果公共交集P是空集，那么对显示区间采用从大到小遍历的方法，测出满足波形移动条件的周期信号路数最多的最大值，作为最优重绘点数，进入步骤50）；

50）显示波形：将最优重绘点数作为定点，利用定点重绘方法将虚拟示波器接收到的总线数据以波形方式显示。

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