CN1325920C - 一种数字荧光波形图像处理器的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种数字荧光波形图像处理器的实现方法是一种电子测量仪器所用的图像处理器，特别是用于波形显示的示波器的实现方法，实现方法分为两个独立且并行的步骤，分别为激活步骤和余辉步骤：激活强度a为数字荧光体激活过程的强度，范围为0~1；“0”为激活操作被禁止而“1”为只需激活一次就可以达到最大的亮度。余辉强度b为数字荧光体余辉过程的强度，范围为0~1；“0”为一次消隐操作就可以降低到最低量度而“1”为永不消隐。利用500*256个单元的9位随机访问存储器作为数字荧光体，其每一个单元均可以独立访问。

Description

一种数字荧光波形图像处理器的实现方法

技术领域：

本发明是一种电子测量仪器所用的图像处理器，特别是用于波形显示的示波器的实现方法，属于数字荧光波形图像处理器制造的技术领域。

背景技术：

数字荧光示波器(Digital Phosphor Oscilloscope，DPO)是继模拟实时示波器(Analog Real-Time Oscilloscope，ART)、数字存储示波器(DigitalStorage Oscilloscope，DSO)之后的第三代示波器技术。数字荧光示波器不仅具有数字存储示波器的波形存储、波形分析能力，同时具有模拟示波器的亮度等级、准实时处理等优点，做到了结合ART和DSO的优点而摈弃其缺点。其高度的洞察力可以用来观察十分复杂的信号。

数字荧光示波器的核心是包含数字采样光栅(Digital Sampling Raster，DSR)和可编程数字荧光体(Programmable Digital Phosphor，PDP)两个主要部分的数字荧光波形图像处理器(Digital Phosphor Waveform ImageProcessor，DPWIP)，其主要功能是对输入数据流在自身的数字荧光体阵列上以极高的速度进行波形映像以实现数字荧光波形处理技术，并每隔一定时间将数字荧光体阵列的快照送出。

因为上述的这些优点，数字荧光示波器成为了一些实验室、科研院所的必备仪器，在高端应用场合中大显身手。近一、二十年来，在本发明名所处的高端电子测试测量仪器领域，国内市场一直被Tektronix、Agilent等外国厂商所垄断，高端产品几乎全部依赖进口。由于强势技术壁垒，目前数字荧光波形图像处理器甚至整个数字荧光示波器技术被美国泰克公司所垄断，国内尚无相应产品或原型机问世。

为了摆脱这种局面，研发具有全部自主知识产权的数字荧光示波器具有极其重要的意义。数字荧光示波器的核心为数字荧光波形图像处理器。Tektronix公司使用了被称为DPX的专用集成电路(ASIC)来实现数字荧光波形图像处理器。ASIC技术的好处是具有较高的速度、性能和较低的价格，但其缺点也很明显。

第一，ASIC技术缺乏灵活性。一旦流片完成后就不可更改其结构。这对于产品升级是不利的。更重要的是，任何一点设计错误都会导致整个工作的报废。因此，ASIC的研制风险较大。

第二，ASIC的研制成本很高，流程较长。DPWIP的芯片规模很大，完成DPWIP的ASIC设计需要大量的时间和投入。

第三，国内对于ASIC的设计和制造能力还远远落后于国外。设计如此大规模的高速ASIC的能力还相对不足。

Tektronix公司的DPX处理器能够实现高达400,000波形/秒的波形处理速率。

发明内容

技术问题：本发明所达到的目的是提供一种数字荧光波形图像处理器的实现方法，即利用本发明所提出的专有方法来实现数字荧光示波器中的核心组件：数字荧光波形图像处理器。并且，在其最关键的性能指标：波形处理速率方面，本发明能够实现高达800,000波形/秒的性能。本方法可以在低研制开发成本、高性能的场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)中实现。

技术方案：本发明的一种数字荧光波形图像处理器的实现方法分为两个独立且并行的步骤，分别为激活步骤和余辉步骤：

其中激活步骤为：

1)读入并存储波形信号数据；

2)对存储的波形信号数据进行重采样得到500个数据点并存储；

3)读出用户设置的数字荧光体激活过程的强度即激活强度a；

4)x为当前坐标X轴位置，并令x：＝0；

5)取出第x个数据点，其数值作为激活点的Y坐标；

6)将x值作为激活点的X坐标；

7)读出激活点存储的数值m；

8)令m：＝m+512*a-m*a

9)将m重新存储在激活点中；

10)判断x是否等于499，如等于则跳转到步骤1)；否则跳转到步骤11)；

11)x：＝x+1；

12)转到步骤5)；

余辉步骤为：

a)读出用户设置的数字荧光体余辉过程的强度即消隐强度b；

b)x为当前坐标X轴位置，并令x：＝0；

c)y为当前坐标Y轴位置，并令y：＝0；

d)将x值作为激活点的X坐标；

e)将y值作为激活点的Y坐标；

f)读出激活点存储的数值m；

g)令m：＝m*b；

h)将m重新存储在激活点中；

i)判断x是否等于499；如等于则跳转到步骤j)；否则跳转到步骤k)；

j)令x：＝0并跳转到步骤l)；

k)令x：＝x+1并跳转到步骤d)；

l)判断y是否等于255；如等于则跳转到步骤m)；否则跳转到步骤n)

m)令y：＝0并跳转到第d)步骤；

n)令y：＝y+1并跳转到第d)步骤；

其激活强度a为数字荧光体激活过程的强度，范围为0~1；“0”为激活操作被禁止而“1”为只需激活一次就可以达到最大的亮度。

其余辉强度b为数字荧光体余辉过程的强度，范围为0~1；“0”为一次消隐操作就可以降低到最低量度而“1”为永不消隐。

利用500*256个单元的9位随机访问存储器作为数字荧光体，其每一个单元均可以独立访问。

数字荧光波形图像处理器(DPWIP)的主要功能是实现对模拟示波器示波管的模拟。DPWIP主要分为四个部分：数字重采样器(Digital Resampler)、可编程数字荧光体(Programmable Digital Phosphor，PDP)、数字采样光栅(Digital Sampling Raster，DSR)和波形读出控制器(Waveform ReadoutController，WRC)。

来自ADC的数字信号送入数字重采样器进行重新采样(插值和/或抽取)，形成一个波形数据流并送入内存管理器和数字采样光栅DSR。内存管理器的工作是将数据存入采样内存。DSR相当于模拟示波器示波管的电子枪，而PDP相当于模拟示波器示波管的荧光屏。DSR接受来自数字重采样器的数据流并根据数据激发PDP，正如模拟示波器的那样。每10ms，WRC通过DSR从PDP中读出一个荧光区快照。

PDP的功能是模拟化学荧光粉。为了实现可编程数字荧光体，本发明使用RAM单元进行模拟。具体方式如下：使用一个保存在RAM单元中的整数数值来等效为化学荧光体的亮度，由内存控制器修改数值来模拟荧光粉的激活和余辉。附图2显示了这种结构。其中，Memory Cell为RAM单元中的整数值，代表该点荧光体的亮度，而ALU1和ALU2两个运算器分别进行荧光体的激活过程和余辉消隐过程。内存单元的字长决定了亮度等级。在本发明中，为了平衡显示效果和模型复杂程度，内存的字长定为9。这样就可以实现多达512级灰度。

为了实现对数特性的激活和衰减，ALU1的操作如下所示：

设m为存储器中的当前数值，f为存储器单元所能存储的最大整数(在本发明中为511)，a表示激活强度，范围为0~1，“0”意味着激活操作被禁止而“1”意味着只需激活一次就可以达到最大的亮度(即DSO模式)。则可以得出，ALU1的操作为：m＜＝m+f*a-m*a；

ALU2的操作如下所示：

设m为存储器中的当前数值，f为存储器单元所能存储的最大整数(在本发明中为511)，b表示激活强度，范围为0~1，“0”意味着一次消隐操作就可以降低到最低量度而“1”意味着永不消隐(即永久显示保持模式)。则可以得出，ALU1的操作为：m＜＝m*b；

在本发明中，500×256的荧光体阵列组成了可编程数字荧光体。

如上面所说，存储器单元阵列可被用于可编程数字荧光体。因此，在数字采样光栅DSR中，两个指向PDP的指针被用在两个进程中：一个用作激活，另一个用作消隐。

进程1负责将指针1从左向右，即x轴，的移动，速度由所选择的时基决定。Y轴由输入数据流直接控制。随着指针在PDP上的移动，相应的PDP单元由ALU1立即处理。读写操作耗费2个时钟周期。

进程2负责将指针2从左上到右下移动。对于化学荧光粉，消隐的速度比激活的速度长的多，因此指针移动的速度可以稍稍慢一些。随着指针在PDP上的移动，相应的PDP单元由ALU2立即处理。读写操作耗费2个时钟周期。

值得注意的事，为了保证DPWIP的高速处理，激活过程和消隐过程是同时并行进行的。

有益效果：本发明能够完全实现数字荧光波形图像处理器，并可用于数字荧光示波器中并实现数字荧光示波器的两大主要功能：波形显示的亮度层次以及快速波形处理。

正如前文所述，DSR在PDP的相应位置不断激发，所形成的轨迹即为波形。同时DSR在不断重复消隐操作。因此，波形在某一点上的概率密度越大，PDP上对应单元的激活次数就越多，因此该点的亮度也就越大。这一点和ART是相同的。因此，本发明能够实现波形显示的亮度层次。

在模拟实时示波器中，波形的显示速度通常用点的移动速度，即厘米/秒，来衡量。在数字荧光示波器中，也可以相应的用像素/秒来衡量。类似的单位，帧/秒，是更常用的单位。在本作品中，1帧/秒＝500像素/秒。因此，我们可得到：

$V_{\mathrm{pixel}}=\frac{f_{\max }}{N_{\mathrm{ext}}}\mathrm{pixel}/s$

$V_{\mathrm{frame}}=\frac{f_{\max }}{500\·N_{\mathrm{ext}}}\mathrm{frame}/s$

N_ext表示整个过程所需要的时钟周期数，f_max表示整个进程所能达到的最大时钟频率。利用双端口访问RAM的两个端口实现写入和读出的并行操作。

将复杂的运算操作(激活和消隐)流水化操作以使其在单个时钟周期内即可完成，并且合理分配三个进程间的时间片，使得激活操作可以以独占任务的形式运作。因此，N_ext的峰值接近于1。因此，在f_max＝400MHz时，本发明最大能达到的峰值波形处理速率V_frame max≈800,000波形/秒。为Tektronix所能实现的400,000波形/秒的两倍。

附图说明

图1是数字荧光波形图像处理器(DPWIP)的功能结构框图。

图2是数字可编程荧光体(PDP)的功能示意图。

图3是数字荧光波形图像处理器(DPWIP)的荧光体激活过程示意图。

图4是数字荧光波形图像处理器(DPWIP)的荧光体消隐过程示意图。

图5是数字荧光波形图像处理器(DPWIP)的荧光体激活过程流程图。

图6是数字荧光波形图像处理器(DPWIP)的荧光体消隐过程流程图。

图7是本发明的一个实施例。

图8是本发明用在数字荧光示波器中的一个实施例。

具体实施方式

本发明的数字荧光波形图像处理器的实现方法，其特征在于实现方法分为两个独立且并行的步骤，分别为激活步骤和余辉步骤：

其中激活步骤为：

1、入并存储波形信号数据；

2、对存储的波形信号数据进行重采样得到500个数据点并存储；

3、读出用户设置的数字荧光体激活过程的强度即激活强度a；

4、x为当前坐标X轴位置，并令x：＝0；

5、取出第x个数据点，其数值作为激活点的Y坐标；

6将x值作为激活点的X坐标；

7、读出激活点存储的数值m；

8、令m：＝m+512*a-m*a；

9、将m重新存储在激活点中；

10、判断x是否等于499，如等于则跳转到步骤1)；否则跳转到步骤11)；

11、x：＝x+1；

12、转到步骤5)；

余辉步骤为：

a读出用户设置的数字荧光体余辉过程的强度即消隐强度b；

b、x为当前坐标X轴位置，并令x：＝0；

c、y为当前坐标Y轴位置，并令y：＝0；

d、将x值作为激活点的X坐标；

e、将y值作为激活点的Y坐标；

f、读出激活点存储的数值m；

g、令m：＝m*b；

h、将m重新存储在激活点中；

i、判断x是否等于499；如等于则跳转到步骤j)；否则跳转到步骤k)；

j、令x：＝0并跳转到步骤l)；

k、令x：＝x+1并跳转到步骤d)；

l、判断y是否等于255；如等于则跳转到步骤m)；否则跳转到步骤n)

m、令y：＝0并跳转到第d)步骤；

n、令y：＝y+1并跳转到第d)步骤；

激活强度a为数字荧光体激活过程的强度，范围为0~1；“0”为激活操作被禁止而“1”为只需激活一次就可以达到最大的亮度。

余辉强度b为数字荧光体余辉过程的强度，范围为0~1；“0”为一次消隐操作就可以降低到最低量度而“1”为永不消隐。

利用500*256个单元的9位随机访问存储器作为数字荧光体，其每一个单元均可以独立访问。

附图7为本发明的一个实施例。

本实施例使用场可编程逻辑阵列(FPGA)构建DPWIP。FPGA具有可重复编程，使用灵活，可反复修改，速度快的优点。本实施例采用Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VLX25 FPGA。Virtex-4系列FPGA是Xilinx公司的最新一代FPGA，具有极其优越的性能表现。LX系列强调高性能逻辑应用，这一点正合适本发明的PDP和DSR实现。内部的1296Kb双端口RAM块可被组织为本作品的PDP。在本实施例中，f_max≈500MHz。

附图8为本发明的另一个实施例。

本实施例为一个数字荧光示波器的简化结构图。其中本发明所实现的DPWIP被集成在FPGA中。FPGA中还集成了总控制器、采样控制器、显示控制器等部件。工作过程如下：输入信号经过模拟前端的调理后送入数模转换器转换为数字流。数字流通过采样控制器送入波形存储器存储，并同时送入数字荧光波形图像处理器进行荧光波形处理。每隔一定时间数字荧光波形图像处理器送出一帧数字荧光体的快照，通过显示控制器送出至显示器显示。

Claims (4)

1、一种数字荧光波形图像处理器的实现方法，其特征在于实现方法分为两个独立且并行的步骤，分别为激活步骤和余辉步骤：

其中激活步骤为：

1)、读入并存储波形信号数据；

2)、对存储的波形信号数据进行重采样得到500个数据点并存储；

3)、读出用户设置的数字荧光体激活过程的强度即激活强度a；

4)、x为当前坐标X轴位置，并令x：＝0；

5)、取出第x个数据点，其数值作为激活点的Y坐标；

6)、将x值作为激活点的X坐标；

7)、读出激活点存储的数值m；

8)、令m：＝m+512*a-m*a；

9)、将m重新存储在激活点中；

10)、判断x是否等于499，如等于则跳转到步骤1)；否则跳转到步骤11)；

11)、x：＝x+1；

12)、到步骤5)；

余辉步骤为：

a、读出用户设置的数字荧光体余辉过程的强度即消隐强度b；

b、x为当前坐标X轴位置，并令x：＝0；

c、y为当前坐标Y轴位置，并令y：＝0；

d、将x值作为激活点的X坐标；

e、将y值作为激活点的Y坐标；

f、读出激活点存储的数值m；

g、令m：＝m*b；

h、将m重新存储在激活点中；

i、判断x是否等于499；如等于则跳转到步骤j)；否则跳转到步骤k)；

j、令x：＝0并跳转到步骤l)；

k、令x：＝x+1并跳转到步骤d)；

l、判断y是否等于255；如等于则跳转到步骤m)；否则跳转到步骤n)

m、令y：＝0并跳转到第d)步骤；

n、令y：＝y+1并跳转到第d)步骤；

2.根据权利要求1所述的一种数字荧光波形图像处理器的实现方法，其特征在于：其激活强度a为数字荧光体激活过程的强度，范围为0~1；“0”为激活操作被禁止而“1”为只需激活一次就可以达到最大的亮度。

3.根据权利要求1所述的一种数字荧光波形图像处理器的实现方法，其特征在于：其余辉强度b为数字荧光体余辉过程的强度，范围为0~1；“0”为一次消隐操作就可以降低到最低量度而“1”为永不消隐。

4.根据权利要求1所述的一种数字荧光波形图像处理器的实现方法，其特征在于：利用500*256个单元的9位随机访问存储器作为数字荧光体，其每一个单元均可以独立访问。

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