CN104678144B

CN104678144B - 高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法

Info

Publication number: CN104678144B
Application number: CN201510076342.6A
Authority: CN
Inventors: 张沁川; 蒋俊; 赵勇; 王翔辉; 邱渡裕
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: CN104678144A

Abstract

本发明公开了一种高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法，将部分存储单元作为扩展存储，其余存储单元作为映射存储，将采集到的首幅波形数据映射到该列映射存储单元的中间位置，将其采样值作为本列数据偏移量，持续对波形数据进行采样，每列采样数据根据与偏移量的差值确定映射存储单元，当某列中存储单元的存储值达到其存储上限时判断是否进行位扩展，如果不进行位扩展则强制刷新显示后切换至普通模式，否则用每列的扩展存储对映射存储单元进行位扩展，继续进行采集映射，达到刷新时间后将映射存储单元映射至显示单元进行显示。本发明采用部分存储单元扩展的方式，在不增加三维数据库容量的情况下满足高波形捕获率下对存储单元位宽的要求。

Description

高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法

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，涉及一种高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法。

背景技术

随着数字三维示波器技术的发展，当前示波器中越来越多地采用各种技术提高波形捕获率，减少数据采集、处理的死区时间，尽量做到数据间无缝衔接，从而很大程度上提高了示波器捕获异常信号的能力。但随着三维示波器波形捕获率的飞速提高，当被测信号信噪比足够高、示波器触发控制足够精确、采样率足够高时，传统的记录波形出现概率的三维波形数据库将不能满足要求。

通常情况下，三维波形数据库中的存储单元位宽都相同，如8bit、10bit等，因此随着波形捕获率的提高下，将导致三维波形数据库的波形强度分辨率不够，即在很短的时间内，数字示波器采集到的波形幅数远大于数字示波器三维波形数据库中用于表示波形强度(亮度/辉度)的存储位宽，此时三维波形数据库中若干代表波形强度的值已经最大(饱和)，已经无法用波形的强度表示在这段采集时间内波形点出现的频率。

数字三维示波器三维波形数据库的设计采用与示波器显示屏的像素点按照一定比例相对应的方法。例如ADC采样数据等级为256，显示屏纵向有512个点，那么是2对1显示，即两个显示点组成一个显示单元，对一个采样数据进行显示。假设三维波形数据库存储容量是：L×2^N×C/8个字节，即每一列对应2^N个映射位置，式中L为采集深度，N为采样ADC的分辨率，C为每个映射位置的波形出现的概率。如当采样ADC为8位，则三维波形数据库中存储阵列每列的起始地址为256的整数倍，即第i列起始地址为：256×i，i＝0,1,…L-1，第i列中数据X_i在三维波形数据库中对应的存储位置Q_i为：

Q_i＝256×i+X_i

根据以上公式，数字三维示波器波形数据库内存单元与显示屏上各显示像素点相对应。

当需要满足一定级别的波形捕获率要求，波形刷新时间一定时，对于一个实时数字三维示波器而言，可以通过如下的公式来粗略的估算其三维波形数据库存储单元所需的位宽。假设波形刷新时间是M，波形捕获率是Z，三维波形数据库存储单元的位宽是P，则：当时，则三维波形数据库的存储单元位数不足。表1是三维波形数据库位宽与刷新时间、捕获率关系示例。

Z	P＝8	P＝10	P＝12	P＝14
					M＝10ms	25600wfm/s	102400wfm/s	409600wfm/s	1638400wfm/s
M＝30ms	8530wfm/s	34133wfm/s	136533wfm/s	546133wfm/s

表1

如当M＝10ms时，波形捕获率要求达到百万级，则三维数据存储单元位宽位需13-14bit；要求捕获率达到50万级别时，则对应存储单元位宽需要12-13bit；10万级别时，需要10-11bit。但是如果单单将三维波形数据库存储单元位宽整体拓宽，将会增大FPGA中资源的消耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法，采用部分存储单元扩展的方式，在不增加三维波形数据库容量的情况下满足高波形捕获率下对存储单元位宽的要求。

为实现上述发明目的，本发明高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法包括以下步骤：

S1：将三维波形数据库中的存储单元按以下方法进行预设置：记三维波形数据库中每列存储单元数量为K，每个存储单元的原始位宽为P，将第0个至第m-1个存储单元作为扩展存储，用于对剩下的第m个至第K-1个映射存储单元进行位扩展；位扩展级别共计有T个，T＞0，每个级别的扩展位数为p_t，p_t≥1，t的取值范围为t＝1,2,…,T，每个级别对应一个扩展偏移值α_t，其中α_t-1＜α_t；扩展存储中还分配S个存储单元，用于存储本列数据偏移量OFS_i和本列首个达到存储上限的存储单元序号各参数满足

S2：采集第1幅波形数据，将每列的采样值映射到该列映射存储单元的第γ＝m+[(K-m)/2]个存储单元，将其存储值加1，[]表示取整；并将第i列的采样值D_i作为本列数据偏移量OFS_i进行存储；

S3：采集下一幅波形数据，根据第i列的采样值D_i计算其映射位置d_i＝D_i-OFS_i+γ，如果m≤d_i≤K-1，将采样值D_i映射到第d_i个存储单元，将其存储值加1，否则将该数据丢弃；

S4：判断是否在某列中存储单元的存储值达到存储上限，如果结果为否，返回步骤S3，否则进入步骤S5；

S5：对于有存储单元达到存储上限的所有列，分别判断每列中采样值的分散程度，如果分散程度大于预设阈值，则该列需要进行位扩展，否则该列不需要进行位扩展；如果判定结果为需要进行位扩展的列的数量小于预设阈值，则三维波形数据库不需要进行位扩展，进入步骤S6，否则需要进行位扩展，进入步骤S7；

S6：强制进行刷新显示：对于第i列的存储单元和显示单元，将第j个存储单元映射到第j+OFS_i-γ个显示单元，根据存储单元中存储值确定其对应的显示辉度等级；强制刷新显示后数字三维示波器切换回普通模式进行采集、存储和显示，返回步骤S2进入下一刷新周期；

S7：对于有达到存储上限的存储单元的列，存储达到存储上限的存储单元序号依次令t＝1,2,…,T，每次对第个至第个映射存储单元进行p_t位扩展，如果需要进行位扩展的存储单元序号在[m,K-1]范围外，则不进行位扩展；将扩展存储单元中的存储位分配给各个映射存储单元作为映射存储单元的高位扩展存储，进入步骤S8；

S8：采集下一幅波形数据，根据第i列的采样值D_i计算其映射位置d_i＝D_i-OFS_i+γ，如果m≤d_i≤K-1，将采样值D_i映射到第d_i个存储单元，将其存储值加1，否则将该数据丢弃；

S9：判断是否到达刷新时间，如果未到刷新时间，进入步骤S10，否则进入步骤S11；

S10：如果在未进行位扩展的列中有某列中存储单元的存储值达到其存储大限，返回步骤S7，否则返回步骤S8；

S11：对于第i列的存储单元和显示单元，将第j个存储单元映射到第j+OFS_i-γ个显示单元，对于进行位扩展的列，将对应位扩展区的高位和原始映射存储单元中的低位结合得到存储值，根据存储值确定其对应的辉度等级，显示完毕后返回步骤S2进入下一刷新周期。

本发明高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法，将部分存储单元作为扩展存储，其余存储单元作为映射存储，将采集到的首幅波形数据映射到该列映射存储单元的中间位置，将其采样值作为本列数据偏移量，持续对波形数据进行采样，每列采样数据根据与偏移量的差值确定映射存储单元，当某列中存储单元的存储值达到其存储上限时判断是否进行位扩展，如果不进行位扩展则强制刷新显示后切换至普通模式，否则用每列的扩展存储对映射存储单元进行位扩展，继续进行采集映射，达到刷新时间后将映射存储单元映射至显示单元进行显示。

本发明高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法，考虑到信噪比较高、触发条件足够精确时，波形出现的概率趋于两极化的特点，在根据现有的三维波形数据库的存储单元进行位扩展，以解决高波形捕获率下容易发生的溢出问题，这样就可以既不增加硬件内存资源的使用前提下，又能很好地满足了对高概率波形信息的记录，增强了高捕获率下波形辉度的显示效果。

附图说明

图1是本发明高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法的流程图；

图2是实施例中三维波形数据库的位扩展示意图；

图3是本实施例中扩展存储单元的分配示意图；

图4是未进行位扩展的波形显示图；

图5是采用本发明进行位扩展的波形显示图。

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

本发明是采用部分存储单元用于对剩下的存储单元进行位扩展，是因为在极高波形捕获率下，当被测信号的信噪比足够高时，数据将集中显示在某一区域，将会出现某些区域数据出现概率极高，该区域三维波形数据库中存储溢出，但有些存储区则数据出现率极低或者趋于0，该区域三维波形数据库存储单元闲置。因此本发明提出的三维波形数据库位扩展方法是基于如下两个考虑：1、每一列中，最先溢出单元就最有可能是该列命中概率最高的单元；2、每一列中，离命中概率最高的单元越近的存储单元也越容易溢出，越远则越不容易溢出。

图1是本发明高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法的流程图。如图1所示，本发明高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法包括以下步骤：

S101：存储单元预设置：

将三维波形数据库中的存储单元按以下方法进行预设置：记三维波形数据库中每列存储单元数量为K，每个存储单元的原始位宽为P，将第0个至第m-1个存储单元作为扩展存储，用于对剩下的第m个至第K-1个映射存储单元进行位扩展。

位扩展级别共计有T个，T＞0，每个级别的扩展位数为p_t，p_t≥1，t的取值范围为t＝1,2,…,T，每个级别对应一个扩展偏移值α_t，其中α_t-1＜α_t。

扩展存储中还分配S个存储单元，用于存储本列数据偏移量OFS_i和本列首个达到存储上限的存储单元序号

本发明是从存储值最先达到原始最大值的存储单元开始向两边进行扩展，每个级别扩展的存储单元最多有2α_t个，那么扩展存储的大小需要满足所有级别的扩展位数要求，即各参数满足

一般来说，为了更有效地利用扩展存储，扩展偏移值α_t可以设定为[]表示取整。

S102：首幅波形采样与存储：

数字三维示波器的采集模块复位、三维波形数据库所有存储单元清零，开始采集第1幅波形数据，由映射模块将每列的采样值映射到该列映射存储单元的中间位置的存储单元，即第γ＝m+[(K-m)/2]个存储单元的存储值加1，[]表示取整，并将第i列的采样值D_i作为本列数据偏移量OFS_i进行存储。

S103：采集下一幅波形并映射：

采集下一幅波形数据，根据第i列的采样值D_i计算其映射位置d_i＝D_i-OFS_i+γ。判断是否m≤d_i≤K-1，如果是，将采样值D_i映射到第d_i个存储单元，即该存储单元的存储值加1，否则说明该幅波形的采样数据D_i超出三维波形数据库正常映射范围，将该数据丢弃，从而保证数据在三维映射存储在映射存储单元内。

S104：判断是否在某列中存储单元的存储值达到其存储上限(即不进行位扩展前存储单元所能存储的最大值)，如果没有，返回步骤S103，否则进入步骤S105。

S105：判断是否对三维波形数据库进行位扩展，判断方法为：判断有达到存储上限的存储单元的列中采样值是否集中，如果判断结果为集中，则该列需要进行位扩展，如果判断结果为分散，则不需要进行位扩展。由于三维波形数据库有多列，一般会有若干列同时有存储单元达到存储上限，因此需要通过这些列的判定结果来进行综合判断，即在有存储单元达到存储上限的所有列中，如果判定结果为需要进行位扩展的列的数量小于预设阈值，则三维波形数据库不需要进行位扩展，进入步骤S106，否则需要进行位扩展，进入步骤S107。通常综合判断的数量阈值采用所有进行综合判断列的总数的一半。

此处提供两种分散程度的判断方法：

(1)将本列第一个存储值达到存储上限的存储单元对应的采样值记为IDX_i，计算D_S＝IDX_i-OFS_i，预设阈值D_T，如果D_S≥D_T，那么在本刷新周期，该列对应的采样值较分散，则可认为被测信号信噪比过低，存在很大的噪声干扰，此时不能开启位扩展模式，应采用正常映射模式，否则就说明该列对应的采样值较集中，需要采用位扩展方式。D_T可根据情况设置为为24、48、50、60等。

(2)对于第i列存储单元，将达到存储上限的存储单元序号记为预设阈值D_T，对序号在范围以外的存储单元进行扫描，一旦发现有存储单元的存储值不为0，则说明该列采样值较为分散，不需要进行位扩展，如果在在范围以外未发现采样值分布，则该范围以外的所有映射存储单元的存储值都为0，则说明该列采样值较集中，需要进行位扩展。

第一种方法运算简单，但是受本列数据偏移量OFS_i的影响较大，对于同样的波形数据，采集起始时刻不同，首幅波形数据就不一样，判定结果也可能不同。第二种方法可靠性好，不会受到首幅波形数据的影响，但是其复杂度较高。在实际应用中，可以根据实际需要选择分散程度判断方法。

S106：强制刷新显示：

由于在进行位扩展判断之前，三维波形数据库是按照位扩展的方式来进行存储的，因此如果判定不需要进行位扩展，那么不管刷新时间是否到来，都强制进行刷新显示，显示方法为：对于第i列的存储单元和显示单元，将第j个存储单元映射到第j+OFS_i-γ个显示单元，根据存储单元中数据大小确定其对应的显示辉度等级。强制刷新显示后数字三维示波器切换回普通模式进行采集、存储和显示。返回步骤S102进入下一刷新周期。

S107：进行位扩展：

对于有达到原始最大值的存储单元的列，存储达到存储上限的存储单元序号依次令t＝1,2,…,T，每次对第个至第个映射存储单元进行p_t位扩展，如果需要进行位扩展的存储单元序号在[m,K-1]范围外，则不进行位扩展。将扩展存储单元中的存储位分配给各个映射存储单元作为映射存储单元的高位扩展存储，也就是建立扩展存储中各存储位与各个映射存储单元的映射关系。

S108：采集下一幅波形并映射：

采集下一幅波形数据，根据第i列的采样值D_i计算其映射位置d_i＝D_i-OFS_i+γ。同样地，如果m≤d_i≤K-1，将采样值D_i映射到第d_i个存储单元，即该存储单元的数据加1，否则将该数据丢弃。此时如果该列已经进行过位扩展并且存储单元数据大于原始最大值，则将高位存储在对应位扩展区中，低位在原始存储单元中，其他情况按普通方式存储在映射存储单元中。

S109：判断是否到达刷新时间，如果未到刷新时间，进入步骤S110，否则进入步骤S111。

S110：判断是否有列需要位扩展，即在未进行位扩展的列中是否有某列中存储单元的存储值达到其原始最大值，如果有，则需要对该列进行位扩展，返回步骤S107，否则返回步骤S108。

S111：波形显示：

对于第i列的存储单元和显示单元，将第j个存储单元映射到第j+OFS_i-γ个显示单元，对于进行位扩展的列，将存储单元的实际存储值根据位扩展方法进行恢复，即将对应位扩展区的高位和原始存储单元中的低位结合得到存储值，根据存储值大小确定其对应的显示辉度等级。

S112：判断是否接收到结束指令，如果是，本次波形采集显示结束，否则返回步骤S102进入下一刷新周期。

数字三维示波器按以上步骤进行循环运行，直到采集停止。

为了说明本发明位扩展方法的实施过程，下面以一个具体的实施例来进行说明。本实施例中，假设数字三维示波器的波形捕获率位百万级，三维波形数据库的存储位宽是8bit，每列0-255个单元，从中分出64个单元用于位扩展(0-63号)，剩余192个单元(64-255号)继续正常使用。有3个位扩展级别，扩展位数依次为2、2、1。根据计算得到每个级别对应的扩展偏移值分别为24、48、96。

在本实施例中，每列的中间单元为第64+[(256-64)/2]＝160个存储单元。即第1幅波形中每列的采样值都映射到第160个存储单元中的。假定某一列在第1幅波形中的采样值为95，存储在第160个存储单元。第2幅波形中该列采样值为120，那么其对应的存储单元为第120-95+160＝185个存储单元。第3幅波形中该列采样值为89，那么其对应的存储单元为第89-95+160＝154个存储单元。假定该列最先达到存储上限的存储单元为第165个存储单元，并且采样值集中判断结果为集中，即需要进行位扩展。那么每个级别的位扩展为：

1)对第165-24至第165+24-1个，即第141至第188个存储单元，共计48个存储单元做2位扩展，则所需要的位扩展空间是48*2/8＝12。

2)对165-48至第165+48-1个，即第117至第212个存储单元，共计96个存储单元做2位扩展，则所需要的位扩展空间是96*2/8＝24。

3)对165-96至第165+96-1个，即第69至第255个存储单元(计算结果是第69至第260个，超出范围，因此只能对第69至第255个存储单元进行位扩展)，共计187个存储单元做1位扩展，则所需要的位扩展空间是187/8≈24。

还需要分配2个存储单元用于存储本列数据偏移量OFS_i＝95和首个达到存储上限的存储单元序号

图2是实施例中三维波形数据库的位扩展示意图。如图2所示，在这个方案中有48个单元进行了5位扩展(A类：13bit)，48个单元做了3位扩展(B类：11bit)，91个单元做了1位扩展(C类：9bit)，剩余5个存储单元没有进行扩展。可见本实施例中用于扩展存储和其他存储的存储单元数量共计62，略小于用于扩展存储的存储单元数量。

将扩展存储中存储单元的各位分配给各个映射存储单元。图3是本实施例中扩展存储单元的分配示意图。在本实施例中，有三类扩展，A类扩展位数为5，B类扩展位数为3，C类扩展位数为1。由于本实施例中存储单元位数为8，则将第0至47个存储单元用于A类、B类扩展，其中低5位用于A类扩展，高3位用于B类扩展；第48至59个存储单元用于C类扩展，第60个存储单元用于存储本列数据偏移量OFS_i，其余保留。

对于第141至第188个存储单元进行5位扩展，记需要进行5位扩展的存储单元序号U，为对应存储单元序号：

A_e＝U-(165-24)＝U-141

对于第117至第140个存储单元、第189至第212个存储单元进行3位扩展，记需要进行3位扩展的存储单元序号U′，为对应存储单元序号：

A_e＝U′-(165-48)＝U′-117

对于第69至第116、第213至第255个存储单元进行1位扩展，其扩展区依次为48-53扩展的单元的低到高依次推进的1位，如第69个存储单元的1位扩展区为第48个存储单元的第0位，第70个存储单元的1位扩展区为第48个存储单元的第1位，依次类推。

采用本实施例中数字三维示波器对一个调幅信号进行采集与显示。图4是未进行位扩展的波形显示图。图5是采用本发明进行位扩展的波形显示图。对比图4和图5可知，当不采用位扩展的时候，由于波形捕获率很大，有许多存储单元的存储值都产生了溢出，因此波形显示图中的辉度区别很小，难以比较不同采样值的概率。而采用本发明进行位扩展之后，能够达到较好的区别效果，便于使用人员的分析。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域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

1.一种高波形捕获率下三维波形数据库的位扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5：对于有存储单元达到存储上限的所有列，分别判断每列中采样值是否集中，如果是，则该列需要进行位扩展，否则该列不需要进行位扩展；如果判定结果为需要进行位扩展的列的数量小于预设阈值，则三维波形数据库不需要进行位扩展，进入步骤S6，否则需要进行位扩展，进入步骤S7；

2.根据权利要求1所述的位扩展方法，其特征在于，所述步骤S1中扩展偏移值

3.根据权利要求1所述的位扩展方法，其特征在于，所述步骤S5中采集值是否集中的判断方法为：将本列第一个存储值达到存储上限的存储单元对应的采样值记为IDX_i，计算D_S＝IDX_i-OFS_i，预设阈值D_T，如果D_S≥D_T，则采样值分散，否则采样值集中。

4.根据权利要求1所述的位扩展方法，其特征在于，所述步骤S5中采集值是否集中的判断方法为：对于第i列存储单元，将达到存储上限的存储单元序号记为预设阈值D_T，对序号在范围以外的存储单元进行扫描，一旦发现有存储单元的存储值不为0，则说明该列采样值分散，如果在范围以外未发现采样值分布，则说明该列采样值集中。