CN109633230B

CN109633230B - 一种可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法

Info

Publication number: CN109633230B
Application number: CN201910034985.2A
Authority: CN
Inventors: 赵伟杰; 潘卉青; 叶芃; 赵勇; 曾浩
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: CN109633230A

Abstract

本发明公开了一种可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法，在采集波形时，根据波形采集结束时刻与采集开始时刻计算得到当前波形的时刻点，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，令屏幕显示坐标点对应的数值等于时刻点，如此循环直到波形显示命令到来，在进行波形显示时，根据记录的屏幕显示坐标点的时刻点数值，从预设的颜色表中查询得到索引号与显示坐标点数值相同的颜色进行显示。本发明采用颜色的不同来展示出波形采集先后顺序不同，从而展示出波形数据的时间信息。

Description

一种可展示时间信息的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，涉及一种可展示时间信息的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，提供一种可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法，着力于采用颜色的不同来展示出波形采集先后顺序不同。

为实现上述发明目的，本发明可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法包括以下步骤：

S1：记录采集开始时刻T₀，初始化各个屏幕显示点的数值为0；

S2：采集一幅波形，记录其采集结束时刻T，计算此幅波形的时刻点V＝(T-T₀)/T_a，T_a表示波形采集时间间隔；将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，记此幅波形中采样点对应的屏幕显示坐标点的坐标为(x,y)，其中x＝1,2,…,X，X表示屏幕显示区域中横轴的显示点数量，y＝1,2,…,Y，Y表示屏幕显示区域中纵轴的显示坐标点数量，令本次映射的屏幕显示坐标点对应的数值D(x,y)＝V；

S3：判断是否接收到显示命令，如果未接收到，进入步骤S4，否则进入步骤S6；

S4：判断是否V＜V_max，V_max表示所能存储的时刻点最大数量，如果是，返回步骤S2，否则进入步骤S5；

S5：计算ΔV＝V-V_max，将每个屏幕显示点的显示数值均减去ΔV，如果执行减法得到的结果小于0，则将该屏幕显示点的显示数值设置为0，然后令T₀＝T₀+ΔV×T_a，返回步骤S2；

S6：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，根据当前记录的所有屏幕显示点的数值D(x,y)，对各个数值进行归一化得到归一化后的数值D′(x,y)＝D(x,y)/V_max，计算得到屏幕显示坐标点(x,y)对应的颜色索引号为[N×D(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。

本发明可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法，在采集波形时，根据波形采集结束时刻与采集开始时刻计算得到当前波形的时刻点，将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，令屏幕显示坐标点对应的数值等于时刻点，如此循环直到波形显示命令到来，在进行波形显示时，根据记录的屏幕显示坐标点的时刻点数值，从预设的颜色表中查询得到索引号与显示坐标点数值相同的颜色进行显示。本发明采用颜色的不同来展示出波形采集先后顺序不同，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是屏幕显示点映射示例图；

图5是当毛刺信号出现在第0幅波形的显示图；

图6是当毛刺信号出现在第30幅波形的显示图；

图7是当毛刺信号出现在第60幅波形的显示图；

图8是当毛刺信号出现在第90幅波形的显示图；

图9是当毛刺信号出现在第120幅波形的显示图；

图10是指定波形轮廓显示示例图。

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。如图3所示，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步骤包括：

S301：初始化数据：

记录采集开始时刻T₀，初始化各个屏幕显示点的数值为0。

S302：波形采集：

采集一幅波形，记录其采集结束时刻T，计算此幅波形的时刻点V＝(T-T₀)/T_a，T_a表示波形采集时间间隔。将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，记此幅波形中采样点对应的屏幕显示坐标点的坐标为(x,y)，其中x＝1,2,…,X，X表示屏幕显示区域中横轴的显示坐标点数量，y＝1,2,…,Y，Y表示屏幕显示区域中纵轴的显示坐标点数量，令本次映射的屏幕显示坐标点对应的数值D(x,y)＝V。

图4是屏幕显示点映射示例图。如图4所示，本示例中屏幕大小为10*10，每一列即代表1个采样时刻，假设第1次波形采集时波形数据如图4所示映射到10个屏幕显示坐标点，时刻点V＝1，那么每个屏幕显示坐标点对应的数值均为1。当第2次波形采集时，如果有同样的屏幕显示坐标点被映射，那么该屏幕坐标点的数值则会被更新为2。

S303：判断是否接收到显示命令，如果未接收到，进入步骤S304，否则进入步骤S306。

S304：判断是否V＜V_max，V_max表示所能存储的时刻点最大数量，如果是，返回步骤S302继续采集，如果不是，为了始终显示最新波形数据对应的时间信息，需要进入步骤S305进行数据更新。

S305：数据更新：

计算ΔV＝V-V_max，将每个屏幕显示坐标点的数值均减去ΔV，如果执行减法得到的结果小于0，则将该屏幕显示点的显示数值设置为0，然后令T₀＝T₀+ΔV×T_a，返回步骤S302。

以图4所示的屏幕显示点为例，假设V_max＝128，本次采集所计算得到的时刻点V＝129，当前的显示矩阵如下：

显然V＞V_max，则计算ΔV＝V-V_max＝1，然后将显示矩阵中每个显示数值均减去1，得到如下显示矩阵：

在显示命令到来之前，一直进行步骤S302至步骤S305的处理，这样可以大大减少采集的死区时间，不遗漏任何信号。

S306：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，根据当前记录的所有屏幕显示坐标点的数值D(x,y)，对各个数值进行归一化得到归一化后的数值D′(x,y)＝D(x,y)/V_max，计算得到屏幕显示坐标点(x,y)对应的颜色索引号为[N×D(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。一般来说，可以令N＝V_max，这样每个时刻点即对应一种颜色，便于波形显示。

在构造颜色表时，需要注意颜色表的索引号代表的颜色，是表示时间远还是近。一般来说，为了更好地观察最新的波形数据，采用较鲜明的颜色来表示近期波形数据。各个屏幕显示坐标点记录的时刻值越大，表示波形采集越新，故在设置颜色表时，可以设置索引号越大的颜色亮度越大，其亮度含义表示时刻点越新(值越大)，亮度越小的颜色，表示的采集时刻点越久远(值越小)。

根据以上描述可知，本发明是采用颜色来代表波形采集时间的远近，根据需要提供的颜色区分数量，可以用8位数据位宽或16位数据位宽，甚至全彩色的24位宽来表示时间。而采集一幅波形所需时间T_a与波形存储的存储深度和采样率有关，即：

例如当存储深度为1Mpts，采样率为500M SPS，则采集一幅波形需要的时间为2毫秒。那么显然T是2ms的倍数，对于参数V而言，等于1时表示2ms，等于2时表示4ms，等于3时表示6ms.....。进行累计的时间最大数T_max可以表示为：

T_max＝T_a×2^B

其中，B表示参数V对应寄存器的位宽，如果全系列区分每个时刻，其值等于颜色的位宽。表1是不同位宽记录时间时可跟踪记录的最大时间。

表1

可见，用于记录时刻值的计数器的位宽越大，所能跟踪的时间也越长。

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时刻点数量V_max为128，假设最新一幅波形为第0幅波形，最旧的一幅波形为第127幅波形。本实例需要对毛刺信号进行观察，采用亮度来区分不同颜色，越新的波形亮度越大。图5是当毛刺信号出现在第0幅波形的显示图。图6是当毛刺信号出现在第30幅波形的显示图。图7是当毛刺信号出现在第60幅波形的显示图。图8是当毛刺信号出现在第90幅波形的显示图。图9是当毛刺信号出现在第120幅波形的显示图。对图5至图9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，越新的波形显示越清晰，从而令操作人员更容易对当前波形进行观察。

本发明在进行波形显示时，还可以在显示端对指定颜色处的波形进行拾取，并大致绘制出其波形形状。其具体方法为：接收操作人员通过光标在屏幕选中的某个显示坐标点a的坐标，查找得到显示坐标点a当前所显示的颜色，将所有采用该颜色进行显示的显示坐标点的显示颜色均重置为预先设置的特殊颜色，标示显示坐标点a所在波形的轮廓。由于该幅波形的部分采样点可能会被更新的波形覆盖，因此该轮廓不能完全显示，只能显示大致轮廓。图10是指定波形轮廓显示示例图。如图10所示，图10中(a)是原始波形显示图，图10中(b)是指定波形轮廓显示图，将毛刺信号所在波形以红色显示。

此外，还可以获取指定颜色波形相对于最新波形的时差，其具体方法为：接收操作人员通过光标在屏幕选中的某个显示坐标点b的坐标，查找得到显示坐标点b当前所显示的颜色的索引号V_b，然后根据以下公式计算得到时差Δb：

Δb＝(V_max-V_b)×T_a

从而可具体计算出该幅波形出现的时刻点，从而可得到各幅波形的时刻点，可找到各付波形之间的时间间隔关系。

综上可知，本发明将通过颜色的不同来展示出采集先后顺序不同，可以达到以下3个目的：

1)不同时间点采集的波形，可以以不同的颜色进行显示，从而标识出时间信息；

2)可以在图形中对特定波形进行拾取，用特殊颜色标识出其异常轮廓；

3)可以计算得到指定波形与最新波形的绝对时间差，从而得到不同波形发生的先后时间关系。

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

1.一种可展示时间信息的三维数字示波器波形处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：采集一幅波形，记录其采集结束时刻T，计算此幅波形的时刻点V＝(T-T₀)/T_a，T_a表示波形采集时间间隔；将此幅波形中的每个采样点映射至屏幕显示坐标点，记此幅波形中采样点对应的屏幕显示坐标点的坐标为(x,y)，其中x＝1,2,…,X，X表示屏幕显示区域中横轴的显示坐标点数量，y＝1,2,…,Y，Y表示屏幕显示区域中纵轴的显示坐标点数量，令本次映射的屏幕显示坐标点对应的数值D(x,y)＝V；

S5：计算ΔV＝V-V_max，将每个屏幕显示点的数值均减去ΔV，如果执行减法得到的结果小于0，则将该屏幕显示点的数值设置为0，然后令T₀＝T₀+ΔV×T_a，返回步骤S2；

S6：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，根据当前记录的所有屏幕显示坐标点的数值D(x,y)，对各个数值进行归一化得到归一化后的数值D′(x,y)＝D(x,y)/V_max，计算得到屏幕显示坐标点(x,y)对应的颜色索引号为[N×D(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采样波形出现的不同时刻，亮度越高表示出现的时刻点越近，亮度越低表示波形出现的时刻点越久远。

3.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，所述颜色表中颜色数量N＝V_max。

4.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，所述步骤S6中波形显示时，接收操作人员通过光标在屏幕选中的某个显示坐标点a的坐标，查找得到显示坐标点a当前所显示的颜色，将所有采用该颜色进行显示的显示坐标点的显示颜色均重置为预先设置的特殊颜色，标示显示坐标点a所在波形的轮廓，从而对指定时刻点采集的波形进行拾取。

5.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，所述步骤S6中波形显示时，接收操作人员通过光标在屏幕选中的某个显示坐标点b的坐标，查找得到显示坐标点b当前所显示的颜色的索引号V_b，然后根据以下公式计算得到时差Δb：

Δb＝(V_max-V_b)×T_a。