CN112067870B - 一种基于fpga的示波器参数自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测试技术领域，涉及一种应用于数字荧光示波器参数测量的装置及方法。一种基于FPGA的示波器自动参数测量装置，主要由数据读取控制模块、参数测量模块以及数据同步模块组成；所述数据读取控制模块配置为读取DDR3内一次采样的N×8bit并行数据，并将读取的数据送入参数测量模块；所述参数测量模块配置为对输入的N路8bit并行数据进行计算分析得到测量结果，包括电压参数测量模块和时间参数测量模块；所述数据同步模块配置为生成同步信号，实现N路数据读取同步和测量结果显示同步。本发明对多路采样点数据并行比较，计算出当前屏幕显示波形的每一个周期内的参数，使测量结果更全面；所有参数并行计算，显著减少测量计算时间，提高仪器的实时性。

Description

一种基于FPGA的示波器参数自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，涉及一种应用于数字荧光示波器参数测量的装置及方法。

背景技术

参数测量是示波器测量信号最常用的功能，可测量的参数类型多达几十种，为科研、生产、试验过程中的信号检测和故障分析提供了强有力的技术保障。传统示波器多采用专用DSP或者CPU进行参数测量，也可称为软件参数测量，其实现过程如图1所示，ADC将模拟信号采样量化到FPGA可以识别的数字信号，随后在FPGA内对采样数据做进一步处理，处理后的数据按照一定的组合存入内部存储器中，CPU处理器按照一定的总线协议读取内部存储器的采样数据，软件抽取获得的采样数据进行计算分析，从而获得各种参数测量结果。通过软件参数测量这种方式来进行计算，一方面在传输数据需要耗费一定时间，另一方面在计算过程中，软件对数据抽点降低了采样率且只选择一个周期来进行计算，使得测量结果不全面，而且每次计算都需要对同一缓存区的采样数据进行计算求得参数，增加了计算时间，使得仪器实时性变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的示波器参数自动测量装置及方法，整个测量过程基于FPGA并行机制以及内部高速FIFO缓存进行数据传输与计算，运算速度更快，显著提高仪器的实时性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于FPGA的示波器自动参数测量装置，主要由数据读取控制模块、参数测量模块以及数据同步模块组成；其中，所述数据读取控制模块配置为读取DDR3内一次采样的N×8bit并行数据，并将读取的数据送入参数测量模块；所述参数测量模块配置为对输入的N路8bit并行数据进行计算分析得到测量结果，包括电压参数测量模块和时间参数测量模块；所述数据同步模块配置为生成同步信号，实现数据读取同步和测量结果显示同步。

进一步优选地，所述数据读取控制模块配置为根据当前的测量状态，将读取的N路8bit并行数据分为两路，先送入电压参数测量模块，后送入时间参数测量模块进行块进行参数测量。

作为本发明的一种优选方式，所述的电压参数测量模块包括N个并行频度叠加单元、直方图生成单元和电压参数测量控制单元；其中，N个频度叠加单元对应N路8bit并行数据，用来实现每一路并行数据的频度叠加，并保存频度叠加信息；直方图生成单元用来读取并统计N个频度叠加单元存储的频度信息，并将叠加后的频度统计值以直方图的形式存储；电压参数测量控制单元通过读取直方图生成单元存储的频度信息，生成电压参数测量结果。

作为本发明的一种优选方式，所述的时间参数测量模块包括六个数字比较器单元、时间参数测量单元和参数结果计算单元；每个数字比较器单元对应一个时间参数的中间变量，分别以上升沿高中低阈值和下降沿高中低阈值作为比较电平，对输入的数据进行比较，得到上升沿、下降沿的位置信息；时间参数测量单元将得到的位置信息进一步处理得到当前周期的参数测量结果；所述参数结果计算单元计算当前周期的测量结果的平均值或均方根，获得时间参数测量结果。

进一步优选地，所述的数字比较器单元包含两个电压参考值，用来作为高、低参考电平。

作为本发明的一种优选方式，所述的数据同步模块生成数据读取同步控制信号和测量结果有效同步信号；数据读取同步控制信号用于控制数据读取控制模块读取DDR3内一次采样的N×8bit数据，该同步信号取决于一次采样数据中所有参与测量当中计算耗时最长的参数测量；测量结果有效同步信号根据用户设置的测量参数，同步显示最终结果。

为了实现本发明的目的，本发明进一步提供了一种基于FPGA的示波器参数自动测量方法，包括：

采集数据后，储存在DDR3中；

数据读取控制模块首先读取用户参数测量配置，确定需要计算的测量参数以及测量通道；同步读取N路8bit并行数据，送入参数测量模块进行参数计算；

同步显示所有测量结果。

进一步优选地，所述的数据读取控制模块读取N路8bit并行数据后，判断参数测量模块当前所处状态，将数据分为两路，首先将N路8bit数据送往电压测量模块；然后再送往时间参数测量模块。

本发明的装置及方法，FPGA读取内部存储的所有数据点，读取的数据直接送给参数测量模块进行参数计算，测量结果通过pci总线传输到CPU。对多路采样点数据并行比较，计算出当前屏幕显示波形的每一个周期内的参数，从而使测量结果更全面；所有参数并行计算，显著减少测量计算时间，提高仪器的实时性。

附图说明

图1为现有技术中软件参数测量实现原理图；

图2为本发明实施例中基于FPGA的示波器参数自动测量原理图；

图3为本发明实施例中基于FPGA的示波器自动参数测量装置结构图；

图4为数据读取控制模块的工作原理图；

图5为电压参数测量模块结构图；

图6为时间参数参量模块计算周期和上升时间的原理示意图；

图7为数据同步模块原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的第一个实施例是：基于8bit数字荧光示波器，如图2所示，所有参数计算过程均在FPGA中实现，由数据读取控制模块、电压参数测量模块、时间参数测量模块以及数据同步模块组成，各模块结构及功能详细介绍如下：

（1）数据读取控制模块

图4为数据读取控制模块流程图，在接收到测量开始信号后，首先读取用户参数配置，确定需要计算的测量参数以及测量通道，通过地址fifo数据fifo读取ddr3中的存储的采集数据，当接收到数据有效信号后，读取数据fifo的一组数据，重组为N路8bit并行数据。数据读取控制单元判断当前所处状态，将数据分为两路，一路送往电压测量模块进行电压参数测量，一路送往时间参数测量模块进行时间参数测量。当前状态是电压测量时，首先将N路8bit数据送往电压测量模块，等待电压测量模块发送处理完成信号，当数据读取控制模块接收到该信号后，读取fifo缓存中下一组数据（N路8bit并行数据）进行电压参数的测量。每一组数据先进性电压参数测量，电压参数测量完成后，当前状态跳转至时间测量，将该组数据送入时间参数测量模块，进行时间参数测量。

（2）电压参数测量模块

电压相关的参数测量中最基础的参数是顶值和底值的测量，是时间参数测量基础。对这两个参数测量首先需要使用直方图统计所有采样数据点，分析出概率最大的电压值作为顶值和底值。

如图5所示，在电压参数测量模块中，设置有N个并行频度叠加单元，每个频度叠加单元包含一个双端口ram以及读写控制单元，用来实现频度并行叠加，在接收到数据读取控制单元组合后的N字节并行数据后，每一个字节对应一个频度叠加单元，读写控制单元字节大小确定读地址，然后读取该地址存储的频度信息，将该值加1后写入对应地址中。直方图生成单元包含一个直方图统计ram以及直方图控制单元，用来读取N个频度叠加单元存储的频度信息，并将叠加后的统计值存储在直方图统计ram中。电压参数测量控制单元通过读取直方图统计ram中存储的频度信息，确定所有参数测量所需的基本参数，包括顶值、底值、最大值、最小值等基本参数，并依此计算出其他电压参数，为时间类参数提供基本依据。

（3）时间参数测量模块

时间相关的参数测量，需要用到其它参数作为辅助计算。以周期和上升时间为例，如图6所示，计算周期和上升时间需要知道顶值和底值，并根据这两个值计算出高中低阈值，默认以顶值和底值差值的90%、50%、10%为高中低阈值，以此得到时间参数的中间变量，一共设置了6个时间参数的中间变量，包括上升沿高中低阈值位置信息和下降沿高中低阈值位置信息。

如图3所示，时间参数测量模块包括六个数字比较器单元、时间参数测量单元和参数结果计算单元。每个数字比较器单元对应一个时间参数的中间变量，分别以上升沿高中低阈值和下降沿高中低阈值作为比较电平，对输入的数据进行比较，得到上升沿、下降沿的位置信息。

由于输入信号带有噪声，不能只通过单一电平比较确定位置信息，因此，数字比较器单元包含两个电压参考值，一个用来作为高参考电平，另一个作为低参考电平。在计算上升沿位置信息时，高比较电平由上升沿高中低阈值组成，低参考电平由软件设置输入，当输入信号从低电平状态跳转到高电平状态时，输出上升沿位置信息，其他状态不作处理；在计算下降沿位置信息时，低比较电平由上升沿高中低阈值组成，高参考电平由软件设置输入，当输入信号从高电平状态跳转到低电平状态时，输出下降沿位置信息，其他状态不作处理。

通过FPGA并行处理机制，可在单周期内实现N路数据比较，通过比较结果作进一步处理得到上升沿、下降沿的位置信息。时间参数测量单元将得到的位置信息进一步处理得到当前周期的参数测量结果。

参数结果计算单元需要计算当前测量结果的平均值、均方根等复杂数学运算，耗时时间较长，当前波形有多个周期时，需要加入测量结果缓存单元缓存时间参数测量单元计算结果。

（4）数据同步模块

在实际测试中用户一次测量参数会有多种，因此，FPGA需要针对每项参数作同步处理。

如图7所示，通过FPGA并行机制，可以实现所有参数并行计算，需要要同步的信号主要包括两部分：数据读取同步控制信号和测量结果有效同步信号。数据读取同步控制信号用于控制数据读取控制模块读取DDR3内一次采样的N×8bit数据，该同步信号取决于一次采样数据中所有参与测量当中计算耗时最长的参数测量；测量结果有效同步信号用于同步最终结果，用户可设置M项参数测量同时显示，每项参数结果仅占用不超过200bit，一次测量结果传输仅仅需要几微秒的时间，大大减少了数据传输时间。

本发明提供的第二个实施例是：基于FPGA的示波器参数自动测量方法，该方法采用上述装置，具体步骤为：

（1）模拟信号通过ADC转换器装换为FPGA可以识别的采集数据后，通过FPGA内存IP核储存在DDR3中；

（2）在接收到测量开始信号后，首先读取用户参数配置，确定需要计算的测量参数以及测量通道，将读取的数据分成两路，先送入电压参数测量模块进行电压参数的测量，再送入时间参数测量模块进行时间参数测量；

（3）计算分析得到所有测量结果，测量结束后通过PCI总线传输到软件中同步显示。

本发明实施例中的参数自动测量装置与方法，利用FPGA并行机制以及内部高速FIFO缓存进行DDR3数据传输控制，通过FPGA内部ram组成频度叠加单元，实现N路数据并行叠加。可以实现所有参数并行计算，显著减少测量计算时间，提高仪器的实时性；

软件在计算时间参数的中间变量时，每次只读取一个采样数据与阈值进行比较，计算过程繁琐且耗时较长。当波形显示有多个周期时，软件只测量当前一个周期的参数而忽略了其他周期计算。本发明基于ADC采样点的全数字统计测量方法，针对6个中间变量，设计6个数字比较器单元进行周期信号参数测量，实现当前屏幕显示波形的每一个周期内参数的统计分析，测量结果更准确。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的示波器自动参数测量装置，主要由数据读取控制模块、参数测量模块以及数据同步模块组成；其特征在于：所述数据读取控制模块配置为读取DDR3内一次采样的N×8bit并行数据，并将读取的数据送入参数测量模块；所述参数测量模块配置为对输入的N路8bit并行数据进行计算分析得到测量结果，包括电压参数测量模块和时间参数测量模块；所述数据同步模块配置为生成同步信号，实现N路数据读取同步和测量结果显示同步；所述的电压参数测量模块包括N个并行频度叠加单元、直方图生成单元和电压参数测量控制单元；其中，N个频度叠加单元对应N路8bit并行数据，用来实现每一路并行数据的频度叠加，并保存频度叠加信息；直方图生成单元用来读取并统计N个频度叠加单元存储的频度信息，并将叠加后的频度统计值以直方图的形式存储；电压参数测量控制单元通过读取直方图生成单元存储的频度信息，生成电压参数测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的示波器自动参数测量装置，其特征在于：所述数据读取控制模块配置为根据参数测量模块当前的测量状态，将读取的N路8bit并行数据分为两路，先送入电压参数测量模块、后送入时间参数测量模块进行参数测量。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的示波器自动参数测量装置，其特征在于：所述的时间参数测量模块包括六个数字比较器单元、时间参数测量单元和参数结果计算单元；每个数字比较器单元对应一个时间参数的中间变量，分别以上升沿高中低阈值和下降沿高中低阈值作为比较电平，对输入的数据进行比较，得到上升沿、下降沿的位置信息；时间参数测量单元将得到的位置信息处理得到当前周期的参数测量结果；所述参数结果计算单元计算当前周期的测量结果的平均值或均方根，获得时间参数测量结果。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的示波器自动参数测量装置，其特征在于：所述的数字比较器单元包含两个电压参考值，用来作为高、低参考电平。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的示波器自动参数测量装置，其特征在于：所述的数据同步模块生成数据读取同步控制信号和测量结果有效同步信号；数据读取同步控制信号用于控制数据读取控制模块读取DDR3内一次采样的N×8bit数据，该同步信号取决于一次采样数据中所有参与测量当中计算耗时最长的参数测量；测量结果有效同步信号根据用户设置的测量参数，同步显示最终结果。

6.一种基于FPGA的示波器参数自动测量方法，采用如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括：

采集数据后，通过FPGA内存IP核储存在DDR3中；

数据读取控制模块首先读取用户参数测量配置，确定需要计算的测量参数以及测量通道；同步读取N路8bit并行数据，送入参数测量模块进行参数计算；

同步显示所有测量结果。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的示波器参数自动测量方法，其特征在于：所述的数据读取控制模块读取N路8bit并行数据后，判断参数测量模块当前所处状态，将数据分为两路，首先将N路8bit数据送往电压测量模块；然后再送往时间参数测量模块。

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