CN109633229A - 一种三维数字示波器波形处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维数字示波器波形处理方法，在采集波形时，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，将本次波形所映射得到的所有屏幕显示坐标点的坐标和采集时刻构成波形数据，如此循环直到波形显示命令到来，在进行波形显示时，对于每个屏幕显示坐标点，依次在每个波形数据中判断该屏幕显示坐标点是否存在，如果存在则用对应的采集时刻更新该屏幕显示坐标点的亮度系数；将亮度系数区间根据波形数量划分成子区间，每个子区间对应一种颜色，在进行波形显示时根据屏幕显示坐标点的亮度系数所位于的子区间从颜色表中选取对应的颜色进行显示。本发明采用颜色的不同来展示出波形采集先后和命中次数信息。

Description

一种三维数字示波器波形处理方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，更为具体地讲，涉及一种三维数字示波器波形处理方法。

背景技术

示波器作为一种使用广泛的通用仪器，经历了模拟示波器、数字存储示波器和三维数字存储示波器的发展历程。随着电子技术的发展，现在主流的示波器都是数字存储示波器。数字存储示波器提高了对波形数据进行诸如分析、解码、频域分析、矢量分析等后处理的能力。单纯的数字存储示波器，只展示了一次采集得到的一幅波形，由于数字处理需要一定的处理时间，故采集是间断性的，存在大量的死区时间。为了展示多次采集得到的多幅波形，发展出了三维示波器，三维示波器可以大大减少采集的死区时间。所谓三维示波器，就是将多次采集的波形相互叠加在一起进行显示。

图1是传统的三维数字示波器波形处理方法示例图。如图1所示，进行多幅波形叠加时，对每一幅采集的波形，计算出其对应屏幕坐标，在三维数据库(图1(a))中累计该屏幕坐标的计数(图1(b))。图2是传统的三维数字示波器波形处理方法的显示波形示例图。如图2所示，多幅波形叠加到一幅波形进行显示，根据统计结果，按出现的次数分配不同的亮度显示值。多幅波形叠加包含两个方面的内容，其一是随着采样率的提高，显示屏幕上的一个像素，可能对应很多个采样点，此时将多个这样的点表示为屏幕的一个像素，显示的亮度根据对应的采样点的多少来决定；第二，对多次采集的波形，将多次采集的波形对应在屏幕上，屏幕上同一像素累计的命中次数不同，则显示亮度不同。

现有的三维示波器，将多次采集的波形映射到屏幕上对应坐标的亮度时，对同一屏幕像素点，统计多次采集的波形在同一像素点的命中次数，根据统计的次数不同，给出不同的亮度等级来进行显示。此种方法，可以展示出一段时间内，采集的波形在相应屏幕位置出现的概率，同一屏幕位置，出现(命中)的次数越多，对应点的亮度越大，出现次数的越少，对应屏幕点的亮度越低。

以上技术，所谓的三维，是指幅度、时间(一次采集的顺序)和概率信息。用同一个屏幕像素点累计命中的次数来表示连续采样时，出现在屏幕像素点位置的概率。但该方法没有包含不同采集的次数的时间先后次序的信息，不能展示出采集的波形的采集顺序及时间关系，不能分析出信号间的时间顺序关系。并且对单次或出现次数较少的毛刺等异常信息，由于出现的概率低，其亮度将很低或者被淹没，而有时候就需要抓取出现频次小的异常波形信息，使用现有的方法将不能正确地显示这种信号。特别是异常信号未知，或者异常信号产生的机制未知的情况下，抓取将变得十分困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维数字示波器波形处理方法，波形显示的亮度与出现的次数和出现的先后顺序相关，用亮度来指示出现的次数和出现的时间顺序。

为实现上述发明目的，本发明三维数字示波器波形处理方法包括以下步骤：

S1：设置一个波形数据队列；

S2：采集一幅波形，记录其采集时刻T，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，记此幅波形中各个采样点对应的屏幕显示坐标点的坐标为(x,y)，x＝1,2,…,X，X表示屏幕显示区域横轴的显示点数量，y＝1,2,…,Y，Y表示屏幕显示区域纵轴的显示坐标点数量；将本次波形所映射得到的所有屏幕显示坐标点的坐标和采集时刻构成本次波形数据；

S3：判断波形数据队列是否已满，如果是，进入步骤S3，否则进入步骤S5；

S3：将波形数据队列中采集时刻最早的波形数据删除，进入步骤S5；

S5：将当前采集波形的波形数据添加至波形数据队列中；

S6：判断是否接收到显示命令，如果未接收到，返回步骤S2，否则进入步骤S7；

S7：记当前波形数据队列中波形数据的数量为M，记M个波形数据中最早的采集时刻为T₀，初始化各个屏幕显示坐标点(x,y)对应的亮度系数I(x,y)＝0；然后对于每个屏幕显示坐标点(x,y)，依次在每个波形数据中判断该屏幕显示坐标点是否存在，如果第m个波形数据中屏幕显示坐标点(x,y)不存在，则不作任何操作，否则按照以下公式对该屏幕显示坐标点的亮度系数进行更新：

其中，I₀、a、b为经验参数，T_m表示第m个波形数据对应的采集时刻；

S8：预先设置一个包含N种颜色的颜色表，索引号范围为[1,N]；在进行波形显示时，根据当前所有屏幕显示坐标点(x,y)的亮度系数I(x,y)，对各个亮度系数进行归一化得到归一化后的数值I′(x,y)＝I(x,y)/I_max，其中计算得到屏幕显示坐标点(x,y)对应的颜色索引号为[N×I′(x,y)]，[]表示取整，然后从颜色表中查询得到对应颜色进行显示。

本发明三维数字示波器波形处理方法，在采集波形时，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，将本次波形所映射得到的所有屏幕显示坐标点的坐标和采集时刻构成波形数据，如此循环直到波形显示命令到来，在进行波形显示时，对于每个屏幕显示坐标点，依次在每个波形数据中判断该屏幕显示坐标点是否存在，如果存在则用对应的采集时刻更新该屏幕显示坐标点的亮度系数；将亮度系数区间根据波形数量划分成子区间，每个子区间对应一种颜色，在进行波形显示时根据屏幕显示坐标点的亮度系数所位于的子区间从颜色表中选取对应的颜色进行显示。本发明采用颜色的不同来展示出波形采集先后和命中次数信息，从而展示出波形数据的时间信息。

附图说明

图1是传统的三维数字示波器波形处理方法示例图；

图2是传统的三维数字示波器波形处理方法的显示波形示例图；

图3是本发明可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法的具体实施方式流程图；

图4是当毛刺信号出现在第0幅波形的显示图；

图5是当毛刺信号出现在第20幅波形的显示图；

图6是当毛刺信号出现在第50幅波形的显示图；

图7是当毛刺信号出现在第100幅波形的显示图；

图8是当毛刺信号出现在第200幅波形的显示图。

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

为了更好地说明本发明，首先对本发明所基于的原理进行简要说明。

根据图形学光照原理我们知道，一个物体体现的光照颜色由三部分构成：

Color C＝∑_lights specular+diffuse+ambient components

其中，∑_lights specular为高光计算结果，diffuse为漫反射的颜色，ambientcomponents为环境光颜色。即一个物体某点的颜色C＝C_高光+C_漫反射+C_环境光。本发明不论及高光和环境光的处理，只论及漫反射的处理。

漫反射与光源入射角、物理某点的反射率、物体某点与发射光源的距离有关。示波器的波形显示不是实际物体光照模型，但其光照强度与距光源的距离的平方成反比的基本原理是本发明的依据。示波器采集中，没有距离的概念，只有时间先后的概念，本发明将采集时间的间距与距离进行类比，从而得到不同采集时间点，其波形显示的亮度不同的效果。

图3是本发明三维数字示波器波形处理方法的具体实施方式流程图。如图3所示，本发明三维数字示波器波形处理方法的具体步骤包括：

S301：设置波形数据：

设置一个波形数据队列，波形数据队列的存储空间大小根据实际情况确定。

S302：波形采集：

采集一幅波形，记录其采集时刻T，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，记此幅波形中各个采样点对应的X个屏幕显示坐标点的坐标为(x,y)，x＝1,2,…,X，X表示屏幕显示区域横轴的显示点数量，y＝1,2,…,Y，Y表示屏幕显示区域纵轴的显示坐标点数量。将本次波形所映射得到的所有屏幕显示坐标点的坐标和采集时刻构成本次波形数据。

S303：判断波形数据队列是否已满，如果是，为了始终显示最新波形数据对应的时间信息，则需要进入步骤S304进行波形数据队列的更新，否则进入步骤S305。

S304：删除最早波形数据：

将波形数据队列中采集时刻最早的波形数据删除，进入步骤S305。

S305：添加当前波形数据：

将当前采集波形的波形数据添加至波形数据队列中。

S306：判断是否接收到显示命令，如果未接收到，返回步骤S302，否则进入步骤S307。

S307：计算亮度系数：

记当前波形数据队列中波形数据的数量为M，记M个波形数据中最早的采集时刻为T₀，初始化各个屏幕显示坐标点(x,y)对应的亮度系数I(x,y)＝0。然后对于每个屏幕显示坐标点(x,y)，依次在每个波形数据中判断该屏幕显示坐标点是否存在，如果第m个波形数据中屏幕显示坐标点(x,y)不存在，则不作任何操作，否则按照以下公式对该屏幕显示坐标点的亮度系数进行更新：

其中，I₀、a、b为经验参数，T_m表示第m个波形数据对应的采集时刻。

经验参数I₀、a、b可根据观察需要进行配置，其设定原则是考虑出现次数与时间分辨度的权重。在最终的亮度中，如果出现次数权重较大，则a稍大，如果时间分辨度要高，则b稍大。

根据亮度系数的计算公式可知，某个屏幕显示坐标点的亮度系数大小和采集时刻、命中次数有关，其亮度系数由命中次数和采集时刻汇总而成。命中次数低，采集时刻越久远，则亮度系数越小；命中次数高，亮度系数越大；命中的时刻越新，其亮度系数也越大。该方法类似实现了荧光示波器的余晖效果。

显然，当一个屏幕显示坐标点在每个波形数据中均被映射，那么其亮度系数值最大，为

S308：波形显示：

预先设置一个包含N种颜色的颜色表，索引号范围为[1,N]；在进行波形显示时，根据当前所有屏幕显示坐标点(x,y)的亮度系数I(x,y)，对各个亮度系数进行归一化得到归一化后的数值I′(x,y)＝I(x,y)/I_max，其中计算得到屏幕显示坐标点(x,y)对应的颜色索引号为[N×I′(x,y)]，[]表示取整，然后从颜色表中查询得到对应颜色进行显示。

根据波形显示过程可知，对于在N幅波形数据中均未被映射到的屏幕显示坐标点，其亮度系数为0，不在任何一个子区间内，因此不进行显示。

一般来说，为了更好地观察较新、出现次数较多的波形数据，采用较鲜明的颜色作为亮度系数大的屏幕显示坐标点的显示颜色，比如用亮度来区分颜色时，则采用较高亮度来表示较大的亮度系数。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体实例的波形显示对本发明的显示效果进行说明。本实例中所能存储的最大波形幅数为256，假设最新一幅波形为第0幅波形，最旧的一幅波形为第255幅波形。本实例需要对毛刺信号进行观察，采用颜色亮度来区分不同出现次数和出现的先后时间次序。图4是当毛刺信号出现在第0幅波形的显示图。图5是当毛刺信号出现在第20幅波形的显示图。图6是当毛刺信号出现在第50幅波形的显示图。图7是当毛刺信号出现在第100幅波形的显示图。图8是当毛刺信号出现在第200幅波形的显示图。对图4至图8进行对比可知，采用本发明可以令波形呈现一种逐渐消隐的效果，波形越新、命中次数越多的显示越清晰，从而令操作人员更容易对较新的偶发波形进行观察。

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)

1.一种三维数字示波器波形处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设置一个波形数据队列；

S2：采集一幅波形，记录其采集时刻T，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，记此幅波形中各个采样点对应的屏幕显示坐标点的坐标为(x,y)，x＝1,2,…,X，X表示屏幕显示区域横轴的显示点数量，y_x＝1,2,…,Y，Y表示屏幕显示区域纵轴的显示坐标点数量；将本次波形所映射得到的所有屏幕显示坐标点的坐标和采集时刻构成本次波形数据；

S3：判断波形数据队列是否已满，如果是，进入步骤S4，否则进入步骤S5；

S4：将波形数据队列中采集时刻最早的波形数据删除，进入步骤S5；

S5：将当前采集波形的波形数据添加至波形数据队列中；

S6：判断是否接收到显示命令，如果未接收到，返回步骤S2，否则进入步骤S7；

S7：记当前波形数据队列中波形数据的数量为M，记M个波形数据中最早的采集时刻为T₀，初始化各个屏幕显示坐标点(x,y)对应的亮度系数I(x,y)＝0；然后对于每个屏幕显示坐标点(x,y)，依次在每个波形数据中判断该屏幕显示坐标点是否存在，如果第n个波形数据中屏幕显示坐标点(x,y)不存在，则不作任何操作，否则按照以下公式对该屏幕显示坐标点的亮度系数进行更新：

其中，I₀、a、b为经验参数，T_m表示第m个波形数据对应的采集时刻；

S8：预先设置一个包含N种颜色的颜色表，索引号范围为[1,N]；在进行波形显示时，根据当前所有屏幕显示坐标点(x,y)的亮度系数I(x,y)，对各个亮度系数进行归一化得到归一化后的数值I′(x,y)＝I(x,y)/I_max，其中计算得到屏幕显示坐标点(x,y)对应的颜色索引号为[N×I′(x,y)]，[]表示取整，然后从颜色表中查询得到对应颜色进行显示。

2.根据权利要求1所述的三维数字示波器波形处理方法，其特征在于，所述颜色表中用亮度来区分颜色，采用较高亮度来表示较大的亮度系数。