多通道数字示波器实现波形荧光显示效果的方法

摘要

本发明提供了一种多通道数字示波器实现波形荧光显示效果的方法，该方法由可编程逻辑器件实现，可编程逻辑器件包括波形数据缓冲区，模拟荧光屏存储器、波形叠加处理模块、波形消隐处理模块和颜色转换处理模块；模拟荧光屏存储器的长度为L，高度为W，模拟荧光屏存储器每个存储单元由两部分组成：强度值m和优先级标志n，强度值m的范围是0≤m≤M，M由模拟荧光屏存储器中强度值的位宽决定，是强度值的位宽所能代表的最大值，优先级排序为：网格≥最新打开的通道≥通道1≥通道2≥…通道i≥…≥通道N；该方法完整保留了多个通道波形显示的亮度层次信息，达到模拟示波器的荧光显示效果。

说明书

技术领域

本发明涉及数字示波器的波形显示技术领域，具体来讲涉及一种多通道数字示波器的波形显示方法。

背景技术

近年来，动态复杂信号的测量向工程技术人员提出了挑战。第一代模拟实时示波器(ART)和第二代数字存储示波器(DSO)对此显得无能为力。模拟示波器具有数字示波器所缺乏的明暗度显示功能，即通过不同的亮度，反映信号不同部分的出现频率。但模拟示波器缺乏数字存储示波器所具有的存储和处理功能及先进的触发功能。因此，不能单独依靠上述两种示波器中的任何一种来满足动态复杂信号的测量需要，需要结合两者的优点，即在数字示波器中采用专用硬件电路进行采集波形的实时数字荧光处理，从而通过亮度或彩色显示长时间内信号的变化情况，达到模拟示波器的荧光显示效果。

在电路研发和测试中，往往需要对多个信号同时观测，需要示波器能够实现多个通道波形同时显示。同时，也希望各个通道波形显示都能够具有模拟示波器的荧光显示效果。因此，在数字示波器中实现多通道波形的荧光显示效果具有十分重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种多通道数字示波器实现波形荧光显示效果的方法，使数字示波器实现多通道波形荧光显示，从而完整地保留了多个通道波形显示的亮度层次信息。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多通道数字示波器实现波形荧光显示效果的方法，该方法由可编程逻辑器件实现，该可编程逻辑器件包括波形数据缓冲区，模拟荧光屏存储器、波形叠加处理模块、波形消隐处理模块和颜色转换处理模块；模拟荧光屏存储器的长度为L，高度为W，模拟荧光屏存储器每个存储单元由两部分组成：强度值m和优先级标志n，强度值m的范围是0≤m≤M，其中M由模拟荧光屏存储器中强度值的位宽决定，是强度值的位宽所能代表的最大值，优先级排序为：网格≥最新打开的通道≥通道1≥通道2≥…通道i≥…≥通道N；

该方法包括如下步骤：

1)初始化模拟荧光屏存储器，网格初始化在模拟荧光屏存储器中，即将模拟荧光屏存储器中应为网格的那些像素点位置的优先级标志初始化为网格优先级；

2)设定强度步进值a，网格亮度值b和波形消隐百分比c；强度步进值a范围是0~M，网格亮度值b是网格显示的亮度强度百分比，范围是0％~100％，波形消隐百分比c是消隐过程中波形的消隐强度，范围是0％~100％；

3)采集N个通道的波形信号并存储；

4)依次读出存储的N个通道的波形强度值，根据通道优先级进行叠加处理后存储到模拟荧光屏存储器；

5)由颜色转换处理模块定时将模拟荧光屏存储器存储的波形强度值转换为颜色值并由波形消隐处理模块做消隐处理。

优选的，第4)步包括以下步骤：

41)读出当前的强度步进值a；设x为当前模拟荧光屏存储器长度方向坐标轴即X轴的位置，0≤x≤L-1；y为当前模拟荧光屏存储器高度方向坐标轴即Y轴的位置，0≤y≤W-1；

42)令当前处理通道i＝0；

43)i＝i+1；

44)判断i是否小于等于通道总数N，如果是则跳转到步骤45)；否则跳转到步骤42)；

45)判断当前第i个通道是否打开，如果打开则跳转到步骤46)；否则跳转到步骤43)；

46)令x＝0；

47)读出通道i的第x个波形数据点p_new，其数值作为该点在模拟荧光屏存储器的Y坐标；将x作为该点在模拟荧光屏存储器的X坐标；

48)读出模拟荧光屏存储器【x，y】单元中储存的原像素点p_old的强度值m和优先级标志n；

49)如果原像素点p_old的优先级为网格，则模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m不变，优先级标志n＝n_网格；如果p_new的优先级高于p_old的优先级，则令模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m＝a，优先级标志n＝n_new；如果p_new的优先级低于p_old的优先级，则模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m和优先级标志n均不变；如果p_new的优先级等于p_old的优先级，则令模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m＝m+a，优先级标志n不变；

410)将m和n的值重新存储在模拟荧光屏存储器的【x，y】单元中；

411)判断x是否等于L-1，如果等于则跳转到步骤43)；否则跳转到步骤412)；

412)x＝x+1并跳转到步骤47)。

优选的，第5)步包括两个独立且并行的过程：将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值和对模拟荧光屏存储器中的像素点强度做消隐处理。

优选的，将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值时，判断优先级标志n，如果是网格，则根据当前设定的网格亮度值b将强度值m转换成相应的网格颜色值，否则将强度值m转换成优先级标志n对应的通道颜色值。

优选的，对模拟荧光屏存储器中的像素点强度做消隐处理，依次读出模拟荧光屏存储器存储的强度值m及其相对应的优先级标志n，如果优先级标志表明该点是网格，则不改变m和n的值，并写回到模拟荧光屏存储器中；如果优先级标志表明该点不是网格，则根据当前设定的波形消隐百分比c令m＝m×(1-c)，n＝n，然后写回到模拟荧光屏存储器中。

优选的，将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值和对模拟荧光屏存储器中的像素点强度做消隐处理的过程是同时进行的，即每从模拟荧光屏存储器读出一个像素点，在将像素点强度值转换成颜色值之后，将像素点强度值进行消隐处理并写回到模拟荧光屏存储器中。

优选的，步骤2中，

强度步进值a范围是0～M，其中，M由模拟荧光屏存储器中强度值的位宽决定，是强度值的位宽所能代表的最大值；当a为“0”表示即使有新的波形点到来，该点在模拟荧光屏存储器中对应存储单元中的强度值m也不增加，即不叠加新的波形；当a为“M”表示有新的波形点到来，该点在模拟荧光屏存储器中对应存储单元中的强度值m增大为M，即一次叠加就可以达到最大的强度；

网格亮度值b是网格显示的亮度强度百分比，范围是0％～100％，当b为“0％”表示不显示网格；当b为“100％”表示最大网格显示亮度；

波形消隐百分比c是消隐过程中波形的消隐强度，范围是0％～100％；当c为“100％”表示一次操作将所有存储在模拟荧光屏存储器中的波形信息清零；当c为“0％”表示保持所有存储在模拟荧光屏存储器中的强度信息不变。

有益效果：本发明的有益效果在于：1.采用本发明可以同时进行多通道波形的荧光显示，通过波形亮度显示长时间内信号出现的频度情况，完整地保留了多个通道波形显示的亮度层次信息，达到模拟示波器的荧光显示效果。在某一点的出现频度越大，该点在荧光屏上显示的亮度就越大；在某一点的出现频度越小，该点在荧光屏上显示的亮度就越小。

2.通过调节强度步进值，用户可以调节荧光屏上显示的波形亮度，当所有波形点出现频度都较小时，可以将强度步进值调大，从而使波形加亮显示；当所有波形点出现频度都较大时，可以将强度步进值调小，从而使波形不会过亮。这样十分有利于波形观测。

3.通过调节波形消隐百分比，用户可以调节波形在荧光屏上显示的持续时间，波形消隐百分比较大时，波形在荧光屏上显示的持续时间较短；波形消隐百分比较小时，波形在荧光屏上显示的持续时间较长；设置为“0％”时，表示波形永不消隐，出现的波形将永远显示在荧光屏上。这样十分有利于毛刺等偶发信号的观测。

4.最新打开的通道优先级设为最高通道优先级，用户可将最关心的通道最后打开，使该通道波形显示在所有波形的最上层，便于波形观测。

5.网格的优先级高于通道优先级，使网格显示在所有波形的上层，这样更有利于波形的精确测量。

6.同时采集N个通道波形数据，但只处理打开的那些通道而不是全部通道数据，节省了波形显示的处理时间，提高了波形更新率。

附图说明

图1是多通道波形数据点叠加存储到模拟荧光屏存储器的过程流程图；

图2是本发明的功能结构框图；

图3是本发明用在四通道数字荧光示波器的一个实施例；

图4是长度为500，高度为256的模拟荧光屏存储器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1、图3，本发明的多通道数字示波器实现波形荧光显示效果的方法包括以下步骤：

1)初始化模拟荧光屏存储器，填入网格信息；

2)设定强度步进值a，网格亮度值b和波形消隐百分比c；

3)采集N个通道的波形信号并存储；

4)依次读出存储的N个通道的波形数据点，根据通道优先级进行叠加处理后存储到模拟荧光屏存储器；

5)定时将模拟荧光屏存储器存储的波形强度值转换为颜色值并做消隐处理。

其中第4)步“依次读出存储的N个通道的波形数据点，根据通道优先级叠加处理后存储到模拟荧光屏存储器”包括以下步骤：

41)读出当前的强度步进值a；

42)x为当前模拟荧光屏存储器长度方向坐标轴(X轴)的位置，x(0≤x≤L-1)；

43)y为当前模拟荧光屏存储器高度方向坐标轴(Y轴)的位置，y(0≤y≤W-1)；

44)令当前处理通道i＝0；

45)i＝i+1；

46)判断i是否小于等于通道总数N，如果是则跳转到步骤47)；否则跳转到步骤44)；

47)判断当前第i个通道是否打开，如果打开则跳转到步骤48)；否则跳转到步骤45)；

48)令x＝0；

49)读出通道i的第x个波形数据点p_new，其数值作为该点在模拟荧光屏存储器的Y坐标；

410)将x作为该点在模拟荧光屏存储器的X坐标；

411)读出模拟荧光屏存储器【x，y】单元中储存的原像素点p_old的强度值m和优先级标志n；

412)如果原像素点p_old的优先级为网格，则模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m不变，优先级标志n＝n_网格；如果p_new的优先级高于p_old的优先级，则令模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m＝a，优先级标志n＝n_new；如果p_new的优先级低于p_old的优先级，则模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m和优先级标志n均不变；如果p_new的优先级等于p_old的优先级，则令模拟荧光屏【x，y】单元的像素点强度值m＝m+a，优先级标志n不变；

413)将m和n的值重新存储在模拟荧光屏存储器的【x，y】单元中；

414)判断x是否等于L-1，如果等于则跳转到步骤45)；否则跳转到步骤415)；

415)x＝x+1并跳转到步骤49)。

其中第5)步“定时将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值并做消隐处理”，包括两个独立且并行的过程：将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值和对模拟荧光屏存储器中的像素点强度做消隐处理。

将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值时，判断优先级标志n，如果是网格，则根据当前设定的网格亮度值b将强度值m转换成相应的网格颜色值，否则将强度值m转换成优先级标志n对应的通道颜色值。每个通道采用一种颜色显示，该颜色的不同亮度反映该通道波形各个点的出现频度，亮度高表示信号在该点位置出现的频度大，亮度低表示信号在该点位置出现的频度小，从而达到模拟示波器的荧光显示效果。

对模拟荧光屏存储器中的像素点强度做消隐处理，是依次读出模拟荧光屏存储器存储的强度值m及其相对应的优先级标志n，如果优先级标志表明该点是网格，则不改变m和n的值并写回到模拟荧光屏存储器中；如果优先级标志表明该点不是网格，则根据当前设定的波形消隐百分比c令m＝m×(1-c)，n＝n并写回到模拟荧光屏存储器中。

将模拟荧光屏存储器存储的强度值转换为颜色值和对模拟荧光屏存储器中的像素点强度做消隐处理的过程是同时进行的，即每从模拟荧光屏存储器读出一个单元数据，在将强度值转换成颜色值之后，将强度值进行消隐处理并写回到模拟荧光屏存储器中。

所述模拟荧光屏存储器是一个L×W个单元的存储器，可以看成是一个长度为L，高度为W的二维存储阵列，高度W的取值范围应与波形数据点的取值范围相同；每个存储单元由两部分组成：强度值m(0≤m≤M)和优先级标志n；优先级排序为：网格≥最新打开的通道≥通道1≥通道2≥…通道i≥…≥通道N。

所述强度步进值a范围是0～M，M由模拟荧光屏存储器中强度值的位宽决定，是强度值的位宽所能代表的最大值；“0”表示即使有新的波形点到来，该点在模拟荧光屏存储器中对应存储单元中的强度值m也不增加，即不叠加新的波形；“M”表示有新的波形点到来，该点在模拟荧光屏存储器中对应存储单元中的强度值m增大为M，即一次叠加就可以达到最大的强度。

所述网格亮度百分比b是网格显示的亮度强度百分比，范围是0％～100％，“0％”表示不显示网格；“100％”表示最大网格显示亮度。

所述波形消隐百分比c是消隐过程中波形的消隐强度，范围是0％～100％，“100％”表示一次操作将所有存储在模拟荧光屏存储器中的波形信息清零；“0％”表示保持所有存储在模拟荧光屏存储器中的强度信息不变。

上述多通道数字示波器实现波形荧光显示效果方法的具体实现过程如下：首先同时采集N个通道的波形数据并储存在N个数据缓存区中，之后读出第一个通道数据缓存区中的波形数据点进行处理，将得到的强度值存储到模拟荧光屏存储器的对应单元中。之后再读出第二个通道数据缓存区中的波形数据点，根据波形点的优先级进行叠加处理，并将得到的强度值存储到模拟荧光屏存储器的对应单元中。以此类推，直到N个通道数据缓存区中的波形数据点全部叠加存储到模拟荧光屏存储器中。在此期间如果某个通道未打开，则跳过该通道不处理。

重复以上过程，且每隔一段固定时间，将之前叠加储存在模拟荧光屏存储器中的所有单元信息读出，经过颜色转换形成一帧波形图像送显示器进行显示；同时将读出的模拟荧光屏存储器中的所有单元信息进行消隐处理，再写回模拟荧光屏存储器。

附图3为本发明的一个实施例。

本实施例实现了四通道数字示波器的波形荧光显示。在本实施例中，采用模数转换器ADC对四路经过调理的模拟信号进行采样并送入现场可编程逻辑门阵列(FPGA)中；FPGA内部集成了四路波形数据缓冲区，模拟荧光屏存储器、波形叠加处理模块、波形消隐处理模块和颜色转换处理模块等部件，完成四路波形的荧光处理，并每隔一定时间形成一帧波形图像输出给显示器，同时进行一次消隐处理；显示器将从FPGA读出的波形图像进行显示；ARM主要向FPGA发送强度步进值，网格亮度值和波形消隐百分比等控制命令。

在本实施例中，采用两片Atmel公司的双500M的ADC芯片——AT84AD004B，每片内部集成两路ADC，每路ADC最高采样率达到500MSPS，分辨率为8bit，采样后数据的范围是【0，255】，可以满足采样精度和采样率的要求；FPGA采用Xilinx公司Virtex-4系列中的SX35FF668-12，它内含大量的存储单元，可以使波形数据缓冲区和模拟荧光屏存储器同时集成在芯片内；主控CPU采用三星公司的ARM9芯片——S3 C 2410。

本实施例的工作过程如下：首先初始化模拟荧光屏存储器，填入网格信息，即将模拟荧光屏存储器中应为网格的那些像素点位置的优先级标志初始化为网格优先级。如图4所示，该模拟荧光屏存储器可以看成是一个长度L为500，高度W为256的二维存储阵列，其中黑色的单元表示该单元为网格像素点。之后ARM读取用户设置的强度步进值，网格亮度值和波形消隐百分比等控制命令，并发送给FPGA。外部输入的四路模拟信号要分别经过一个信号调理电路，将这四路模拟信号的幅度调整到适合ADC采样的幅度范围内。之后四路ADC将同时对四个通道的波形进行采样，得到采样数据并送FPGA缓存。在FPGA的前端设置有四路深度为500的波形数据缓冲区，送入FPGA中的波形数据将首先储存到这四个数据缓存区中。处理时，首先对第一个通道进行处理。读出通道一数据缓存区中的第x(0≤x≤499)个数据，其数值y(0≤y≤255)作为该点在模拟荧光屏存储器高度方向的坐标。再读出模拟荧光屏存储器【x，y】单元中的像素强度值和优先级标志，经过处理转换后，将新得到的像素强度值和优先级标志写回模拟荧光屏存储器【x，y】单元中。之后读出通道一数据缓存区中的下一个数据进行类似处理，直到通道一数据缓存区中最后一个数据(x＝499)处理完毕后，再开始处理第二个通道数据缓存区中的数据。以此类推，直到四个通道的波形数据全部处理完毕。在此期间，如果某个通道未打开，则跳过该通道不处理。之后四路ADC对输入波形信号进行新一轮采样并储存到FPGA中四个数据缓存区，开始新一轮的处理。

重复以上过程，且每隔一段固定时间，将之前叠加储存在模拟荧光屏存储器中的所有单元信息读出，经过颜色转换形成一帧波形图像送显示器进行显示；同时将读出的模拟荧光屏存储器中的所有单元信息进行消隐处理，再写回模拟荧光屏存储器。