CN104793032B - 数字三维采集波形的矢量映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字三维采集波形的矢量映射方法，每映射完一幅波形的采集数据后，统计得到该幅波形数据中每列数据的最大值和最小值，通过比较相邻两列的最大值和最小值，确定是否需要进行插值，如果需要进行插值，则在插值范围内选择若干个元素，将其元素值加一，从而完成数字三维采集波形的矢量映射。此外，在对本次采集的波形数据处理完毕后，还可以遍历数字三维数据库中的每一列，得到该列数据当前的最大值和最小值，将最大值和最小值之间值为0的元素进行补插值，进一步消除不连续点。本发明通过控制插值点的数量来控制矢量化程度，从而缩短矢量映射时间，提高波形捕获率。

Description

数字三维采集波形的矢量映射方法

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，涉及一种数字三维采集波形的矢量映射方法。

背景技术

在传统数字存储示波器中存在两种波形显示方式：点显示和矢量显示。点显示是将每次实时采样的数据直接映射到其对应的显示屏像素点位置，其优点是实现简单、捕获率高，缺点是当被测信号状态变迁时间远小于系统实采样间隔时，系统可能无法捕获到其边沿，波形显示稀疏、不连续；矢量显示与点显示有所不同，这种方法是将实时采集的对应在某列上的数据都映射上去，并将相邻两列之间间隙用插值点填充，其优点是显示清晰、可读性高，缺点是需要实时的进行线性插值，以避免由于采样率不够高而导致的波形显示不连续问题，与此同时波形捕获率也将相应降低。

三维数据库的矩阵可以表示为：

矩阵C的每个元素与显示屏的波形显示区域的每个像素一一对应。n,L是分别表示波形显示区的垂直和水平方向显示像素的个数，一般而言，水平方向代表时间，垂直方向代表信号幅度。矩阵元素c_i,j代表了在一段有限的采样时间T内系统采集得到的N幅波形在对应时间点上对应幅度值出现的次数，其中i的取值范围为1≤i≤n，j的取值范围为1≤j≤L。c_ij的数值大小与显示区域每个像素的显示亮度或辉度成正比，值越大表明记录对应像素点波形出现的概率越大，故显示亮度/辉度越大，c_i,j所占位宽记为g。

假设对一幅波形的实际采集点数为d，在触发信号的同步控制下，系统每次实时采集的数据为x₁,x₂,x₃,…x_d。如果d＞L，则三维数据库每一列所对应的采样点如下：

即对于实时采集得到的一组波形数据，三维波形数据库的一列至少映射d/L个采样数据，在映射过程中，可以在一列d/L个点中进行抽点处理，即只取一个点映射，也可以将d/L个点均映射在该列对应的三维数据库中。若系统在本次显示刷新周期内采集得到的N幅波形，如果采用抽点映射，则每一列映射N个波形数据，如果全部映射，则每一列映射了Nd/L个波形数据。如果d＜L，就需要对波形进行插值处理，每幅波形数据映射中每列映射一个点，即对于N幅波形，每一列实际映射了N个波形数据，对应N[d/L]个实际采集数据。

此处以抽点处理为例，对点映射和传统矢量映射方法进行说明。

图1是方波的点映射示例图。如图1所示，采集N＝100幅方波，假定为理想情况，每列上的映射点都映射到同一位置，则映射点的命中次数为100。当相邻两列的映射点不连续时，其间隙不做任何处理，在显示时将出现幅值上的间断现象。

而在传统矢量映射时，在每幅波形数据映射时，需要计算该幅波形每列列对应采集数据的最大和最小值，记为对于第j列和第j+1列对应的最大值和最小值，当或时，相邻列波形数据是不连续的。为了解决这种不连续性的问题，传统矢量映射方法是对波形数据进行线性插值，即当时，令或时，令除了对内的真实点进行映射外，还要将或范围内在该幅波形数据中命中次数为0的元素c_i′,j+1(即插值点)加1，或图2是方波的传统矢量映射示例图。如图2所示，在与图1相同的方波信号的情况下，映射完N＝100幅方波后，该示例中插值点的命中次数与真实点相同。

很显然，当采用传统矢量映射方法时，矢量显示时所需的线性插值操作使得映射数据量成倍的增加，因此每映射一幅波形数据所需的时间也将成倍增加，最终导致系统整体性能骤降：矢量显示下系统波形捕获率远远低于点显示方式，一般会低几个数量级。如采样率为4GSPS的示波器，实时档下，点映射时，捕获率可达到200,000wfms/s，矢量显示时，则仅为几万wfms/s。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字三维采集波形的矢量映射方法，通过控制插值点的数量来控制矢量化程度，缩短矢量映射时间，提高波形捕获率。

为实现上述发明目的，本发明数字三维采集波形的矢量映射方法包括以下步骤：

S1：令采集波形数据序号f＝1；

S2：将第f幅波形的采集数据映射至数字三维数据库，统计得到该幅波形数据中每列数据的最大值和最小值j表示列序号；

S3：令列序号j＝1；

S4：如果令进入步骤S5；如果令进入步骤S5；否则不作任何操作，进入步骤S6；

S5：选择幅值或再从或范围内随机选择k个幅值x′₁,x′₂,…,x′_k，k的取值范围为k≥0；将数字三维数据库中的元素或以及的值加一；

S6：如果j＜L-1，L表示数字三维数据库中的总列数，令j＝j+1，返回步骤S4，否则进入步骤S7；

S7：如果f＜N，令f＝f+1，返回步骤S2，否则映射结束。

本发明数字三维采集波形的矢量映射方法，每映射完一幅波形的采集数据后，统计得到该幅波形数据中每列数据的最大值和最小值，通过比较相邻两列的最大值和最小值，确定是否需要进行插值，如果需要进行插值，则在插值范围内选择若干个元素，将其元素值加一，从而完成数字三维采集波形的矢量映射。此外，在对本次采集的波形数据处理完毕后，还可以遍历数字三维数据库中的每一列，得到该列数据当前的最大值和最小值，将最大值和最小值之间值为0的元素进行补插值，进一步消除不连续点。

与传统矢量映射方法相比，本发明同样在实现波形显示的矢量化的基础上，可以通过控制插值点的数量来控制矢量化程度，从而缩短矢量映射时间，提高波形捕获率，解决矢量化引起的波形捕获率严重下降的问题。还可以根据波形数据中每列的实际情况自适应设置插值点的数量，从而实现对矢量化程度的自适应控制。

附图说明

图1是方波的点映射示例图；

图2是方波的传统矢量映射示例图；

图3是本发明数字三维采集波形的矢量化的流程示意图；

图4是方波采用本发明进行矢量映射示例图；

图5是传统矢量映射方法的波形图；

图6是采用本发明矢量映射方法未进行补插值的波形图；

图7是采用本发明矢量映射方法并进行补插值的波形图。

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3是本发明数字三维采集波形的矢量化的流程示意图。如图3所示，本发明数字三维采集波形的矢量化的具体步骤包括：

S301：令采集波形数据序号f＝1。

S302：映射第f幅采集波形数据：

将该幅波形的采集数据映射至数字三维数据库，统计得到该幅波形数据中每列数据的最大值和最小值j表示列序号。

S303：令列序号j＝1。

S304：判断是否如果是，进入步骤S305，否则进入步骤S306。

S305：令进入步骤S308。

S306：判断是否如果是，进入步骤S307，否则进入步骤S309。

S307：令进入步骤S308。

S308：选择插值点进行插值：

选择幅值或再从或范围内随机选择k个幅值x′₁,x′₂,…,x′_k，k的取值范围为k≥0，对或x′₁,x′₂,…,x′_k对应的第j+1列元素的命中次数值进行插值。也就是说，将数字三维数据库中的元素或以及的值加一，共计k+1个插值点。

可见，每次进行的插值点数量为k+1个。k的大小对本发明的技术效果起决定性作用。如果或那么本发明的算法就相当于传统矢量显示算法。当k＝0时，本发明的矢量映射方法对系统波形捕获率几乎没有影响，即不会导致捕获率的下降。也就是说，k值越大，矢量化程度越大，映射一幅波形耗时越长，波形捕获率也就越低。当每幅波形的映射时间小于等于一幅波形的采集时间时，基本不会对系统波形捕获率造成影响。在实际应用中，可以在映射过程中，实时根据采集速度、映射速度和插值范围的长度来调节k的大小，从而控制波形的矢量化程度。记系统的采集速度为s_s、映射速度为s_m、本列插值范围的长度为K，即或确定k的约束公式为：

其中，k/K表示从K个元素中抽取k个元素作为插值点时，每个元素被抽中的概率，α表示预设的概率阈值；r表示映射时每列映射的采集数据的数量，根据对采集数据的处理方式不同其值有所不同，也就是说，进行抽点处理或采集数据的插值处理时，r＝1，不进行抽点处理时，r＝d/L；β为预设的大于等于1的常数，用于控制波形采集时间和映射时间之间的差距程度。d表示一幅波形的实际采集点数。L表示数字三维数据库中的总列数，也就是数字三维数据库中水平方向显示像素的个数。

根据上述约束公式，即可求得本列映射时k的取值范围，在该取值范围中任意选择一个值作为k的值。如果不能得到同时满足以上两个约束条件的k值，根据预先设定的优先级，以优先级较高的约束条件确定k值。例如当概率约束公式的优先级较高时，如果不能同时满足时间约束条件，则直接令k＝[K×α]，此处[]表示取整。当时间约束条件的优先级较高时，如果不能同时满足概率约束条件，则直接令k＝[β(d/L)s_m/s_s-r]。

采用以上方法，可以根据波形数据中每列的实际情况自适应设置插值点的数量，从而实现对矢量化程度的自适应控制。

S309：判断是否j＜L-1，如果是，进入步骤S310，否则进入步骤S311。

S310：令j＝j+1，返回步骤S304。

S311：判断是否f＜N，N表示一次显示刷新周期内采集的波形幅数，如果是，进入步骤S312，否则进入步骤S313。

S312：令f＝f+1，返回步骤S302。

S313：进行补插值：

由于在步骤S308中，每幅波形数据进行插值时只选择了部分不连续点进行插值，有可能在N幅波形插值完毕后仍然存在不连续点，因此为了进一步消除不连线点，最后还可以进行一次补插值，其具体方法为：遍历数字三维数据库中的每一列，得到该列数据的最大值和最小值如果元素至之间存在值为0的元素c_i′,j+1，则令该元素c_i′,j+1＝c^*，c^*为设置的补插值数据的值。c^*根据实际情况进行设置，可以是该列所有命中幅值上的平均命中次数或中间值，再或是与被插值元素距离最近的非零元素的值等等。

图4是方波采用本发明进行矢量映射示例图。如图4所示，在采用本发明进行N幅波形的矢量映射后，插值点的命中次数小于真实点，且矢量映射完毕后可能存在未插值的不连续点，对其进行补插值。

为了验证本发明的技术效果，采用一个方波进行传统矢量方法与本发明的对比实验。图5是传统矢量映射方法的波形图。图6是采用本发明矢量映射方法未进行补插值的波形图。图7是采用本发明矢量映射方法并进行补插值的波形图。如图5到图7所示，此处采用对同一方波信号分别采用下降沿触发和上升沿触发进行采集。对比图5至图7可知，在传统矢量映射方法中，由于每一幅波形都需要对相邻两列中非连续的点进行插值连接，所以捕获率就会降低，波形显示颜色辉度明显不高；而在本发明中，如果不进行补插值，其捕获率有较大提升，波形显示颜色辉度较传统矢量映射方法有较大提升，但是此时方波沿上出现不连续的点；如果再增加补插值操作，波形沿连续，虽然相对于不进行补插值的方法波形辉度略低，但是仍然高于传统矢量映射方法。可见，本发明能够有效地提高波形捕获率。

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 (4)

1.一种数字三维采集波形的矢量映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：令采集波形数据序号f＝1；

S2：将第f幅波形的采集数据映射至数字三维数据库，统计得到该幅波形数据中每列数据的最大值和最小值j表示列序号；

S3：令列序号j＝1；

S4：如果令进入步骤S5；如果令进入步骤S5；否则不作任何操作，进入步骤S6；

S5：选择幅值或再从或范围内随机选择k个幅值x′₁,x′₂,…,x′_k，k的取值范围为k≥0；将数字三维数据库中的元素或以及的值加一；

S6：如果j＜L-1，L表示数字三维数据库中的总列数，令j＝j+1，返回步骤S4，否则进入步骤S7；

S7：如果f＜N，令f＝f+1，返回步骤S2，否则映射结束。

2.根据权利要求1所述的矢量映射方法，其特征在于，所述步骤S5中的参数k由根据以下约束公式确定：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>k</mi> <mo>/</mo> <mi>K</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>/</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，或α表示预设的概率阈值；r表示映射时每列映射的采集数据的数量，s_s表示采集速度，s_m表示映射速度，β为预设的大于等于1的常数，d表示一幅波形的实际采集点数，L表示数字三维数据库的总列数；

根据上述约束公式，求得本列映射时k的取值范围，在该取值范围中任意选择一个值作为k的值；如果不能得到同时满足以上两个约束条件的k值，根据预先设定的优先级，以优先级较高的约束条件确定k值。

3.根据权利要求1或2所述的矢量映射方法，其特征在于，还包括步骤S8：遍历数字三维数据库中的每一列，得到该列数据当前的最大值和最小值如果元素至之间存在值为0的元素则令该元素c^*为设置的补插值数据的值。

4.根据权利要求3所述的矢量映射方法，其特征在于，所述步骤S8中参数c^*为该列所有命中幅值上的平均命中次数或中间值，再或是距离被插值元素最近的非零元素的值。