CN105319423B - 一种用fpga分段存储实现示波器平均采集的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用FPGA分段存储实现示波器平均采集的系统，包括ADC采样模块、帧数据处理模块、分段存储及平均模块、数据输出模块；其分段存储及平均模块的平均过程：SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m‑1+DATA_NEW‑DATA_OLD，SUM_AVE_m为平均数据和，SUM_AVE_m‑1为上一次平均和，DATA_NEW为最新一次帧处理数据，DATA_OLD为设定的平均次数最开始的帧处理数据，后两者都存于FPGA内部的存储区内；帧数据存入DATA_NEW单元送入加法器的同时，通过分段读写控制模块将此数据写入外部存储里面。本发明展现效果好，节省CPU开销，速度上得到保证。

Description

一种用FPGA分段存储实现示波器平均采集的系统

技术领域

本发明涉及到数字示波器，是示波器实现平均采集的一种方式，适用于一般低成本深存储示波器。

背景技术

数字示波器是电子测量领域中的一种常见的仪器，用于采集、显示以及存储波形，还可以进行各种参数的分析功能。示波器有很多采集模式，其中一种是平均模式。这种模式将平均连续采集的波形点，过滤掉噪声和信号毛刺，又不损害带宽，但是要求是周期信号。适用于电源质量分析或谐波分析等。示波器存储波形可以存在FPGA内部的存储器中，也可以存在外部容量较大的存储器中。可以连续存储一次采集的波形，也可以分段存储波形。分段存储将较大的外部存储分成多个小存储器，这样可以存多次的采集波形。本发明就是利用分段存储来完成波形的平均采集。

平均运算过程参看下面的数学公式:

其中Ave_n为平均后的采样点，n为当前的平均次数，S_i为第i次的采样点。由上式可以看出，平均次数越多，每一次新捕获的波形数据对于平均结果影响越小，平均效果越好。

在实际应用中，受限系统的运算速度和存储容量，平均次数n也不可能无穷大，一般到256次。

平均模式可以通过软件实现。软件实现时，每次采集的数据通过软件暂存下来，然后读取下一次的采集数据，对应采样点相加，根据设定的平均次数求和，最后除以平均次数得到平均采样点。在平均次数比较大的情况下，软件运算量很大，运算速度跟不上波形的刷新速度。而且软件还要负责示波器别的控制和计算，这样平均运算导致示波器整体性能下降。利用软件实现的平均采样模式还有个弊端，就是不能停止波形展宽和压缩，因为软件处理的是有限的显示点，而不是原始点。

发明内容

针对以上问题本发明提供了一种用硬件FPGA实现平均模式，利用FPGA速度方面的优势，达到平均采集数据和输入的新数据的速度相当，不影响波形的刷新率，另外还可以停止波形，展宽和压缩以及移动看到屏幕外更多波形的用FPGA分段存储实现示波器平均采集的系统。

技术方案：鉴于低成本深存储示波器的实际情况，存储深度只达到兆级，这样平均次数不可能很大，本发明实现最大平均次数为256次，便于FPGA数据处理，一般平均次数为2的n次方。本发明实现平均采集模式用到了外部的大容量的存储器，也用了FPGA内部的存储区。

一种用FPGA分段存储实现示波器平均采集的系统，其特征在于：包括ADC采样模块、帧数据处理模块、分段存储及平均模块、数据输出模块；示波器中，模数转换器ADC采样模块将模拟信号转换为数字信号存入FPGA后，由帧数据处理模块进行帧数据处理，帧数据处理后进入分段存储及平均模块，平均后的数据经过数据输出模块输出给CPU，最后输出显示。

所述的分段存储及平均模块的平均过程见公式2：

SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW-DATA_OLD (2)

SUM_AVE_m为平均数据和，SUM_AVE_m-1为上一次平均和，DATA_NEW为最新一次帧处理数据，DATA_OLD为设定的平均次数最开始的帧处理数据，后两者都存于FPGA内部的存储区内。

当用户通过图形界面发出平均采集的指令后，初始化SUM_AVE单元为0，二选一单元选择0，DATA_OLD单元先不参与运算，即公式2中先不减最开始的帧处理数据，因为现在帧数据累加次数还没有达到设定平均次数。将第一帧数据存入DATA_NEW单元，然后将DATA_NEW里的数据送入加法器的同时，通过分段读写控制模块将此数据写入外部存储1里面，加法器运算结果再反馈到SUM_AVE单元，显然第一次的运算结果SUM_AVE₁＝DATA_NEW，第一次的平均结果就为SUM_AVE/1。依次类推，第二帧数据存入DATA_NEW单元，然后送入加法器的同时也存入外部存储2里，结果为SUM_AVE₂＝SUM_AVE₁+DATA_NEW，第二次的平均结果就为SUM_AVE/2。依次类推到第m帧数据，存入外部存储m，送入加法器运算结果为SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW，第m次的平均结果就为SUM_AVE/m，此时才达到平均m次数的效果。同时外部的分段存储也结束了，之后重新采集的数据就要从头覆盖循环存储了，在覆盖之前把原来里面存储的数据读出来缓存做减法运算。

继续采集，新帧数据正在存入DATA_NEW单元，此时通过分段读写控制模块将外部存储1中的数据读入DATA_OLD单元，二选一单元选择DATA_OLD里面的数据。然后将DATA_NEW和DATA_OLD单元里的数据送入加法器的同时通过分段读写控制模块将DATA_NEW里的数据写入外部存储1里面，覆盖掉之前数据。SUM_AVE_m就为公式2SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW-DATA_OLD所示。周而复始循环直到采集停止命令。平均结果为相加和除以平均次数。

软件实现的平均处理因为运算量大，一般只是处理屏幕上的有限的显示点，停止时不能展宽看波形的细节。用此发明处理方式可以提高其展宽效果。本发明的平均输出结果并不只是显示点，而是包含了显示点的原始数据。软件可以根据一定的比例来抽取数据进行显示。停止展宽时抽取比例不同而已。由于本发明定位于外部存储空间有限的深存储示波器，全硬件实现，速度上得到保证，节省CPU开销。同时得到较好的平均效果，并且可以停下来展宽一定的倍数看波形。

附图说明

图1为用FPGA分段存储实现示波器平均采集系统的整体框图。

图2为本发明的分段存储及平均模块的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所述，本发明提供了一种用FPGA分段存储实现示波器平均采集的系统，包括ADC采样模块、帧数据处理模块、分段存储及平均模块、数据输出模块；示波器中，模数转换器ADC采样模块将模拟信号转换为数字信号存入FPGA后，由帧数据处理模块进行帧数据处理，帧数据处理后进入分段存储及平均模块，平均后的数据经过数据输出模块输出给CPU，最后输出显示。

如图2所示，所述的分段存储及平均模块的平均过程见公式(2)：

SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW-DATA_OLD (2)

SUM_AVE_m为平均数据和，SUM_AVE_m-1为上一次平均和，DATA_NEW为最新一次帧处理数据，DATA_OLD为设定的平均次数最开始的帧处理数据，后两者都存于FPGA内部的存储区内；

当用户通过图形界面发出平均模式的指令后，初始化SUM_AVE单元为0，二选一单元选择0，DATA_OLD单元先不参与运算，即公式(2)中先不减最开始的帧处理数据，因为现在帧数据累加次数还没有达到设定平均次数，将第一帧数据存入DATA_NEW单元，然后将DATA_NEW里的数据送入加法器的同时，通过分段读写控制模块将此数据写入外部存储1里面，加法器运算结果再输入反馈到SUM_AVE单元，显然第一次的运算结果SUM_AVE₁＝DATA_NEW；依次类推，第二帧数据存入DATA_NEW单元，然后送入加法器的同时也存入外部存储2里，结果为SUM_AVE₂＝SUM_AVE₁+DATA_NEW；依次类推到第m帧数据，存入外部存储m，送入加法器运算结果为SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW；此时才第一次达到平均m次数的效果；

采集在继续，新帧数据正在存入DATA_NEW单元，此时通过分段读写控制模块将外部存储1中的数据读入DATA_OLD单元，二选一单元选择DATA_OLD里面的数据；然后将DATA_NEW和DATA_OLD单元里的数据送入加法器的同时通过分段读写控制模块将DATA_NEW里的数据写入外部存储1里面，覆盖掉之前数据；SUM_AVE_m就为SUM_AVE_m-1+DATA_NEW-DATA_OLD，周而复始循环直到采集停止命令，平均结果为相加和除以平均次数。

下面以用户选择64次平均，m为64，n为6为例。开始采集时初始化SUM_AVE单元为0，二选一单元选择0，DATA_OLD单元先不参与运算。将第一帧数据存入DATA_NEW单元，然后将DATA_NEW里的数据送入加法器的同时，通过分段读写控制模块将此数据写入外部存储1里面，加法器运算结果再输入反馈到SUM_AVE单元，显然第一次的运算结果SUM_AVE₁＝DATA_NEW。依次类推，第二帧数据存入DATA_NEW单元，然后送入加法器的同时也存入外部存储2里，结果为SUM_AVE₂＝SUM_AVE₁+DATA_NEW。依次类推到第64帧数据，存入外部存储64，送入加法器运算结果为SUM_AVE₆₄＝SUM_AVE₆₃+DATA_NEW。此时才第一次达到平均64次数的效果。

继续采集，新帧数据正在存入DATA_NEW单元，此时通过分段读写控制模块将外部存储1中的数据读入DATA_OLD单元，二选一单元选择DATA_OLD里面的数据。然后将DATA_NEW和DATA_OLD单元里的数据送入加法器的同时通过分段读写控制模块将DATA_NEW里的数据写入外部存储1里面，覆盖掉之前数据。SUM_AVE₆₄就为SUM_AVE₆₃+DATA_NEW-DATA_OLD所示。周而复始循环直到采集停止命令。平均结果为相加和除以平均次数64。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种用FPGA分段存储实现示波器平均采集的系统，其特征在于：包括ADC采样模块、帧数据处理模块、分段存储及平均模块、数据输出模块；示波器中，模数转换器ADC采样模块将模拟信号转换为数字信号存入FPGA后，由帧数据处理模块进行帧数据处理，帧数据处理后进入分段存储及平均模块，平均后的数据经过数据输出模块输出给CPU，最后输出显示；

所述的分段存储及平均模块的平均过程见公式(2)：

SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW-DATA_OLD (2)

SUM_AVE_m为平均数据和，SUM_AVE_m-1为上一次平均和，DATA_NEW为最新一次帧处理数据，DATA_OLD为设定的平均次数最开始的帧处理数据，后两者都存于FPGA内部的存储区内；

当用户通过图形界面发出平均模式的指令后，初始化SUM_AVE单元为0，二选一单元选择0，DATA_OLD单元先不参与运算，即公式(2)中先不减最开始的帧处理数据，因为现在帧数据累加次数还没有达到设定平均次数，将第一帧数据存入DATA_NEW单元，然后将DATA_NEW里的数据送入加法器的同时，通过分段读写控制模块将此数据写入外部存储1里面，加法器运算结果再输入反馈到SUM_AVE单元，显然第一次的运算结果SUM_AVE₁＝DATA_NEW；依次类推，第二帧数据存入DATA_NEW单元，然后送入加法器的同时也存入外部存储2里，结果为SUM_AVE₂＝SUM_AVE₁+DATA_NEW；依次类推到第m帧数据，存入外部存储m，送入加法器运算结果为SUM_AVE_m＝SUM_AVE_m-1+DATA_NEW；此时才第一次达到平均m次数的效果；

继续采集，新帧数据正在存入DATA_NEW单元，此时通过分段读写控制模块将外部存储1中的数据读入DATA_OLD单元，二选一单元选择DATA_OLD里面的数据；然后将DATA_NEW和DATA_OLD单元里的数据送入加法器的同时通过分段读写控制模块将DATA_NEW里的数据写入外部存储1里面，覆盖掉之前数据；SUM_AVE_m就为SUM_AVE_m-1+DATA_NEW-DATA_OLD，周而复始循环直到采集停止命令，平均结果为相加和除以平均次数。