CN108874296A - 一种基于并行架构的三维波形映射方法 - Google Patents

一种基于并行架构的三维波形映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于并行架构的三维波形映射方法，通过将三维数据库在时间轴、幅度轴上进行同时分区并行映射，使每个存储地址内可对应到三维数据库上纵向相邻的多个采样点的概率信息，因此在矢量映射中对相邻两列竖直方向进行断点的矢量连接处理时，可在一个时钟周期内完成多个存储地址的矢量映射。

Description

一种基于并行架构的三维波形映射方法
技术领域
本发明属于数据处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于并行架构的三维波形映射方法。
背景技术
三维波形显示是数字三维示波器的重要功能之一。三维波形图像不仅能够体现波形的时间和幅度信息，还能以不同的辉度等级来体现波形出现的概率信息。波形捕获率是数字示波器的关键指标之一，三维波形显示技术大大提高了示波器的波形捕获率，波形捕获率越高，捕获到突发信号、毛刺信号等复杂信号的概率越大。
如图1所示，三维波形映射的总体流程是：波形采集开始后，当缓存采样点数据的FIFO存满后，三维映射模块开始对FIFO中采样点数据进行映射，根据采样点数据值与数据库地址的映射关系，对采样点数值通过映射公式进行计算，得到数据库中对应存储单元的地址，读取该存储单元内的概率信息数值(初始值为0)，加1后将最新的数值写回原地址对应的存储单元中。当前FIFO中采样点数据映射结束后，开始下一幅波形采集及映射过程。重复执行单幅波形采集映射，直到屏幕刷新时间到来并且当前这幅波形映射完成后，将数据库中概率信息数据读出处理并送去显示。三维波形数据库中每个存储单元里的数值代表每一个时间点和幅度值下波形采样点出现的次数。
三维波形映射分为点映射和矢量映射两种模式。矢量映射与点映射的基本流程相似，主要的不同在映射地址的产生。在点映射模式下，一个采样点数据只需映射成一个相对应的地址；在矢量模式下，在某一时间点上一个采样点数据需要映射出一段连续的地址。
目前，三维波形映射技术采用串行映射的方式来处理波形采样点数据，在映射过程中，只有一个三维映射数据库，当前采样点数据映射结束后才能映射下一个采样点数据，每映射一个采样点数据，需要进行读取，处理，写回三个过程，至少需要5个系统时钟周期才能完成一个采样点数据的映射。这样大大限制了波形捕获率。
波形捕获率与波形数据采集时间和处理显示时间有关。在三维映射过程中，在采样率一定条件下，采集数据的时间所占整个映射时间越大，采集到的波形幅数越多，波形捕获率越高。示波器处理显示系统在三维映射模式下，单位时间(1秒)内屏幕刷新次数固定，因此，只有减小每幅波形的映射时间，才能增加采集数据的有效时间，即增加在一次三维映射过程中采集的波形幅数。
为了提高波形捕获率，提出了多路并行波形映射的方法。即将数据库分为n个并行映射的数据库，在同一时间点上同时对多个采样点数据进行映射，即在时间点上并行映射，如图2所示。
上述并行映射的方法在点映射模式下完成一幅波形映射的时间缩短n倍。但是在矢量映射模式下，映射一个在时间点上相邻但幅值相差2N(N为ADC的分辨率)的复杂信号，需要在一个时间点上完成2N个采样点数据的映射，导致一幅矢量波形映射的时间增加。在相同的刷屏周期下，采集映射的波形幅数减少，造成DPO效果不明显。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于并行架构的三维波形映射方法，将三维数据库在时间轴和幅度轴上都分为若干区间，采样点数据在每个区间内同时映射，可以大大缩短波形矢量映射时间。
为实现上述发明目的，本发明一种基于并行架构的三维波形映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设一幅三维图像的长度为L，宽度为2N，三维图像中某一采样点波形出现的概率为P，P的最大值为2B，其中，ADC的分辨率为N，B为该幅三维图像中每个概率的bit位数，那么该幅三维图像构建的三维波形映射数据库的大小为：Sdpx＝L×2N×B/8(byte)；
(2)、将三维波形映射数据库在时间轴上分为Mt个垂直映射区域，在幅度轴上分为Ma个水平映射区域，共得到Mt×Ma个独立的映射区域；
设每个映射区域均为一块小的随机存取存储器RAM，RAM的数据位宽为Ndata，地址位宽为Naddr，RAM的容量为可以同时对Mt＝Ndata/B个采样点数据进行映射；
(3)、基于并行架构下的三维波形映射
(3.1)、基于并行架构下的点映射过程
(3.1.1)、依次从FIFO中读出采样点，再计算采样点数据的相对映射地址Amapi；
Amapi＝[2N×(i+1)-1]-Yi
其中，i表示读出的第i个采样点，i＝0,1,…(L/Mt-1)；
(3.1.2)、计算相对映射地址Amapi对应的实际映射地址Ai；
Ai＝Amapi/Mt
(3.1.3)、根据相对映射地址Amapi的低Mt位值，即Amapi[(Mt-1):0]的值，判断第i个采样点在实际映射地址Ai内的具体位置；
(3.1.4)、更新映射存储单元内的数据
根据步骤(3.1.3)中得到的第i个采样点在实际映射地址Ai内的具体位置，将具体位置处的存储概率信息加上颜色步进值，然后写回原单元，完成第i个采样点的映射；
(3.2)、基于并行架构下的矢量映射过程
(3.2.1)、根据抽点倍数Nbase，依次从FIFO中读取Nbase个采样点，再计算每个采样点数据的相对映射地址Amapj，然后记录Nbase个采样点中的最大值和最小值，进而得到第j列采样点地址区间范围为[Amapj,min，Amapj,max]；
(3.2.2)、根据相邻两列映射地址区间关系，对相邻两列映射地址进行预处理；
1)、如果Amap(j+1),max＜Amapj,min+2N，则令Amap(j+1),max＝Amapj,min+2N，其余地址不变；
2)、如果Amap(j+1),min＞Amapj,max+2N，则令Amap(j+1),min＝Amapj,max+2N，其余地址不变；
3)、如果Amapj,min+2N＜Amap(j+1),min＜Amapj,max+2N，则保持所有地址均不变；
4)、如果Amapj,min+2N＜Amap(j+1),max＜Amapj,max+2N，则保持所有地址均不变；
(3.2.3)、更新映射存储单元内的数据
记每个存储单元内存储采样点信息个数为Ndata/B＝Mt，则每个映射地址单元的需更新的颜色步进值为{C1,C2,...CK}；
对于非最值处的映射地址，映射地址单元内对应每个概率信息的颜色步进值为C1＝C2＝...＝CK＝1，RAM内需更新写回的数据为：RAM_wd＝RAM_rd+{1,1,...1}；
对于最值映射地址处，根据相对映射地址Amapi的低Mt位值，即Amapi[(Mt-1):0]的值，得到最值点在实际映射地址Ai中的具体位置，然后在具体位置处，将其中的最大值位置之前对应的概率信息加上颜色步进值，再后写回原单元，最大值位置之后对应的概率信息不进行处理；将其中的最小值位置之后对应的概率信息加上颜色步进值，再后写回原单元，最小值位置之前对应的概率信息不进行处理，从而完成波形的矢量映射过程。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种基于并行架构的三维波形映射方法，通过将三维数据库在时间轴、幅度轴上进行同时分区并行映射，使每个存储地址内可对应到三维数据库上纵向相邻的多个采样点的概率信息，因此在矢量映射中对相邻两列竖直方向进行断点的矢量连接处理时，可在一个时钟周期内完成多个存储地址的矢量映射。
同时，本发明一种基于并行架构的三维波形映射方法还具有以下有益效果：
(1)、通过对三维波形数据库进行水平方向的分区处理，可同时完成多个采样数据的同步并行映射处理；
(2)、通过对三维波形数据库进行竖直方向的分区处理，从而减小了相邻列断点在竖直方向的矢量连接处理时间，大大提高了映射效率和波形捕获率。
附图说明
图1是三维波形映射模块与示波器系统结构图；
图2是常用的水平方向分区波形映射示意图；
图3是本发明采用水平、竖直方向并行波形映射示意图；
图4是三维波形映射过程中的三维数据库示意图；
图5是本发明中三维数据库分区示意图。
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是本发明采用水平、竖直方向并行映射示意图；
在本实施例中，结合图1和图3，本发明一种基于并行架构的波形映射方法，包括以下步骤：
S1、如图4所示，设一幅三维图像的长度为L，宽度为2N，L表示显示一幅波形在水平方向上所需采样点数据的个数，2N表示一幅波形在垂直方向上映射采样点的最大幅度值，其中，N为ADC的分辨率；三维图像中某一采样点波形出现的概率为P，也就是表示在该时刻该幅值的采样点出现的次数，P的最大值为2B，B为该幅三维图像的bit位数，那么该幅三维图像构建的三维映射数据库的大小为：Sdpx＝L×2N×B/8(byte)；
S2、将三维映射数据库在时间轴上分为Mt个垂直映射区域，在幅度轴上分为Ma个水平映射区域，如图5所示，共得到Mt×Ma个独立的映射区域；
设每个映射区域均为一块小的随机存取存储器RAM，RAM的数据位宽为Ndata，即RAM的一个实际地址对应的存储单元存储一个Ndata(bit)的数据，等效于RAM的一个实际存储单元存储Ndata/B＝Mt个概率信息数据；地址位宽为Naddr，RAM的容量为可以同时对Mt个采样点数据进行映射；
S3、基于并行架构下的波形映射
数字示波器波形的显示分为两种，即点显示和矢量显示，对应的波形映射过程可分为点映射和矢量映射，下面我们分别对点映射和矢量映射进行展开说明。
S3.1、基于并行架构下的点映射过程
S3.1.1、依次从FIFO中读出采样点，再计算采样点数据的相对映射地址Amapi；
Amapi＝[2N×(i+1)-1]-Yi
其中，i表示读出的第i个采样点，i＝0,1,…(L/Mt-1)；
S3.1.2、计算相对映射地址Amapi对应的实际映射地址Ai；
Ai＝Amapi/Mt
S3.1.3、根据相对映射地址Amapi的低Mt位值，即Amapi[(Mt-1):0]的值，判断第i个采样点在实际映射地址Ai内的具体位置；
S3.1.4、更新映射存储单元内的数据
根据步骤S3.1.3中得到的第i个采样点在实际映射地址Ai内的具体位置，将具体位置处的存储概率信息加上颜色步进值，然后写回原单元，完成第i个采样点的映射；
在本实施例中，以Ndata＝32bit，B＝8bit为例，则一个存储单元内可存放4个采样点对应的概率信息，实际映射地址为Ai＝Amapi/4，实际映射地址更新数据如表1所示；
表1是实际映射地址更新数据；
Amapi最低两位地址值 Ai对应的更新数据RAM_wd
Amapi[1:0]＝2'b00 RAM_wd＝RAM_rd+32'h1000
Amapi[1:0]＝2'b01 RAM_wd＝RAM_rd+32'h0100
Amapi[1:0]＝2'b10 RAM_wd＝RAM_rd+32'h0010
Amapi[1:0]＝2'b11 RAM_wd＝RAM_rd+32'h0001
表1
S3.2、基于并行架构下的矢量映射过程
S3.2.1、根据抽点倍数Nbase，依次从FIFO中读取Nbase个采样点，再计算每个采样点数据的相对映射地址Amapj，然后记录Nbase个采样点中的最大值和最小值，得到第j列采样点地址区间范围为[Amapj,min，Amapj,max]；
S3.2.2、如表2所示，根据相邻两列映射地址区间的四种关系，对相邻两列映射地址进行预处理；
1)、如表2(a)所示，如果Amap(j+1),max＜Amapj,min+2N，则令Amap(j+1),max＝Amapj,min+2N，其余地址不变；
2)、如表2(b)所示，如果Amap(j+1),min＞Amapj,max+2N，则令Amap(j+1),min＝Amapj,max+2N，其余地址不变；
3)、如表2(c)所示，如果Amapj,min+2N＜Amap(j+1),min＜Amapj,max+2N，则保持所有地址均不变；
4)、如表2(d)所示，如果Amapj,min+2N＜Amap(j+1),max＜Amapj,max+2N，则保持所有地址均不变；
表2
S3.2.3、更新映射存储单元内的数据
记每个存储单元内存储信息个数Ndata/B＝Mt，每个映射地址单元的需更新的颜色步进值为{C1,C2,...CK}；
对于非最值处的映射地址，映射地址单元内对应每个概率信息的颜色步进值为C1＝C2＝...＝CK＝1，RAM内需更新写回的数据为：RAM_wd＝RAM_rd+{1,1,...1}；
对于最值映射地址处，根据相对映射地址Amapi的低Mt位值，即Amapi[(Mt-1):0]的值，得到最值点在实际映射地址Ai中的具体位置，然后在具体位置处，将其中的最大值位置之前对应的概率信息加上颜色步进值，再后写回原单元，最大值位置之后对应的概率信息不进行处理；将其中的最小值位置之后对应的概率信息加上颜色步进值，再后写回原单元，最小值位置之前对应的概率信息不进行处理，从而完成矢量映射过程。
在本实施例中，以Ndata＝32bit，B＝8bit，表2中a关系为例，对于非最值处映射地址，更新数据为：
RAM_wd＝RAM_rd+32'h1111,
对于最小值地址处更新数据如表3所示；
表3是Amap(i+1),min地址处RAM写数据值；
Amap(i+1),min最低两位地址值 Ai+1,min对应的更新数据RAM_wd
Amap(i+1),min[1:0]＝2'b00 RAM_wd＝RAM_rd+32'h1000
Amap(i+1),min[1:0]＝2'b01 RAM_wd＝RAM_rd+32'h1100
Amap(i+1),min[1:0]＝2'b10 RAM_wd＝RAM_rd+32'h1110
Amap(i+1),min[1:0]＝2'b11 RAM_wd＝RAM_rd+32'h1111
表3
对于最大值地址处更新数据，如表4所示；
表4是Amap(i+1),max地址处RAM写数据值；
Amap(i+1),max最低两位地址值 Ai+1,max对应的更新数据RAM_wd
Amap(i+1),max[1:0]＝2'b00 RAM_wd＝RAM_rd+32'h1111
Amap(i+1),max[1:0]＝2'b01 RAM_wd＝RAM_rd+32'h0111
Amap(i+1),max[1:0]＝2'b10 RAM_wd＝RAM_rd+32'h0011
Amap(i+1),max[1:0]＝2'b11 RAM_wd＝RAM_rd+32'h0001
表4
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 (2)

1.一种基于并行架构的三维波形映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设一幅三维图像的长度为L，宽度为2N，三维图像中某一采样点波形出现的概率为P，P的最大值为2B，其中，N为ADC的分辨率，B为该幅三维图像中每个概率的bit位数，那么该幅三维图像构建的三维映射数据库的大小为：Sdpx＝L×2N×B/8(byte)；
(2)、将三维映射数据库在时间轴上分为Mt个垂直映射区域，在幅度轴上分为Ma个水平映射区域，共得到Mt×Ma个独立的映射区域；
设每个映射区域均为一块小的随机存取存储器RAM，RAM的数据位宽为Ndata，地址位宽为Naddr，RAM的容量为可以同时对Mt＝Ndata/B个采样点数据进行映射；
(3)、基于并行架构下的三维波形映射
(3.1)、基于并行架构下的点映射过程
(3.1.1)、依次从FIFO中读出采样点，再计算采样点数据的相对映射地址Amapi；
Amapi＝[2N×(i+1)-1]-Yi
其中，i表示读出的第i个采样点，i＝0,1,…(L/Mt-1)；
(3.1.2)、计算相对映射地址Amapi对应的实际映射地址Ai；
Ai＝Amapi/Mt
(3.1.3)、根据相对映射地址Amapi的低Mt位值，即Amapi[(Mt-1):0]的值，判断第i个采样点在实际映射地址Ai内的具体位置；
(3.1.4)、更新映射存储单元内的数据
根据步骤(3.1.2)中得到的第i个采样点在实际映射地址Ai内的具体位置，将具体位置处的存储概率信息加上颜色步进值，然后写回原单元，完成第i个采样点的映射；
(3.2)、基于并行架构下的矢量映射过程
(3.2.1)、根据抽点倍数Nbase，依次从FIFO中读取Nbase个采样点，再计算每个采样点数据的相对映射地址Amapj，然后记录Nbase个采样点中的最大值和最小值，进而得到第j列采样点地址区间范围为[Amapj,min，Amapj,max]；
(3.2.2)、根据相邻两列映射地址地址区间关系，对相邻两列映射地址进行预处理；
(3.2.3)、根据预处理后的映射地址更新映射存储单元内的数据
记每个存储单元内存储采样点信息个数为Ndata/B＝K，则每个映射地址单元的需更新的颜色步进值为{C1,C2,...CK}；
对于非最值处的映射地址，映射地址单元内对应每个概率信息的颜色步进值为C1＝C2＝...＝CK＝1，RAM内需更新写回的数据为：RAM_wd＝RAM_rd+{1,1,...1}；
对于最值映射地址处，根据相对映射地址Amapi的低Mt位值，即Amapi[(Mt-1):0]的值，得到最值点在实际映射地址Ai中的具体位置，然后在具体位置处，将其中的最大值位置之前对应的概率信息加上颜色步进值，再后写回原单元，最大值位置之后对应的概率信息不进行处理；将其中的最小值位置之后对应的概率信息加上颜色步进值，再后写回原单元，最小值位置之前对应的概率信息不进行处理，从而完成波形的矢量映射过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于并行架构的三维波形映射方法，其特征在于，所述的相邻两列映射地址进行预处理的方法为：
1)、如果Amap(j+1),max＜Amapj,min+2N，则令Amap(j+1),max＝Amapj,min+2N，其余地址不变；
2)、如果Amap(j+1),min＞Amapj,max+2N，则令Amap(j+1),min＝Amapj,max+2N，其余地址不变；
3)、如果Amapj,min+2N＜Amap(j+1),min＜Amapj,max+2N，则保持所有地址均不变；
4)、如果Amapj,min+2N＜Amap(j+1),max＜Amapj,max+2N，则保持所有地址均不变。
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