專利名稱：一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電子測量儀器所用的圖像處理器，特別是用于波形顯示的示波器的實現(xiàn)方法，屬于數(shù)字熒光波形圖像處理器制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字熒光示波器(Digital Phosphor Oscilloscope，DPO)是繼模擬實時示波器(Analog Real-Time Oscilloscope，ART)、數(shù)字存儲示波器(DigitalStorage Oscilloscope，DSO)之后的第三代示波器技術(shù)。數(shù)字熒光示波器不僅具有數(shù)字存儲示波器的波形存儲、波形分析能力，同時具有模擬示波器的亮度等級、準(zhǔn)實時處理等優(yōu)點，做到了結(jié)合ART和DSO的優(yōu)點而擯棄其缺點。其高度的洞察力可以用來觀察十分復(fù)雜的信號。
數(shù)字熒光示波器的核心是包含數(shù)字采樣光柵(Digital Sampling Raster，DSR)和可編程數(shù)字熒光體(Programmable Digital Phosphor，PDP)兩個主要部分的數(shù)字熒光波形圖像處理器(Digital Phosphor Waveform ImageProcessor，DPWIP)，其主要功能是對輸入數(shù)據(jù)流在自身的數(shù)字熒光體陣列上以極高的速度進(jìn)行波形映像以實現(xiàn)數(shù)字熒光波形處理技術(shù)，并每隔一定時間將數(shù)字熒光體陣列的快照送出。
因為上述的這些優(yōu)點，數(shù)字熒光示波器成為了一些實驗室、科研院所的必備儀器，在高端應(yīng)用場合中大顯身手。近一、二十年來，在本發(fā)明名所處的高端電子測試測量儀器領(lǐng)域，國內(nèi)市場一直被Tektronix、Agilent等外國廠商所壟斷，高端產(chǎn)品幾乎全部依賴進(jìn)口。由于強(qiáng)勢技術(shù)壁壘，目前數(shù)字熒光波形圖像處理器甚至整個數(shù)字熒光示波器技術(shù)被美國泰克公司所壟斷，國內(nèi)尚無相應(yīng)產(chǎn)品或原型機(jī)問世。
為了擺脫這種局面，研發(fā)具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字熒光示波器具有極其重要的意義。數(shù)字熒光示波器的核心為數(shù)字熒光波形圖像處理器。Tektronix公司使用了被稱為DPX的專用集成電路(ASIC)來實現(xiàn)數(shù)字熒光波形圖像處理器。ASIC技術(shù)的好處是具有較高的速度、性能和較低的價格，但其缺點也很明顯。
第一，ASIC技術(shù)缺乏靈活性。一旦流片完成后就不可更改其結(jié)構(gòu)。這對于產(chǎn)品升級是不利的。更重要的是，任何一點設(shè)計錯誤都會導(dǎo)致整個工作的報廢。因此，ASIC的研制風(fēng)險較大。
第二，ASIC的研制成本很高，流程較長。DPWIP的芯片規(guī)模很大，完成DPWIP的ASIC設(shè)計需要大量的時間和投入。
第三，國內(nèi)對于ASIC的設(shè)計和制造能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。設(shè)計如此大規(guī)模的高速ASIC的能力還相對不足。
Tektronix公司的DPX處理器能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)400,000波形/秒的波形處理速率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所達(dá)到的目的是提供一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法，即利用本發(fā)明所提出的專有方法來實現(xiàn)數(shù)字熒光示波器中的核心組件數(shù)字熒光波形圖像處理器。并且，在其最關(guān)鍵的性能指標(biāo)波形處理速率方面，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)800,000波形/秒的性能。本方法可以在低研制開發(fā)成本、高性能的場可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)中實現(xiàn)。
技術(shù)方案本發(fā)明的一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法分為兩個獨立且并行的步驟，分別為激活步驟和余輝步驟其中激活步驟為1)讀入并存儲波形信號數(shù)據(jù)；2)對存儲的波形信號數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣得到500個數(shù)據(jù)點并存儲；3)讀出用戶設(shè)置的激活強(qiáng)度a；4)x為當(dāng)前坐標(biāo)X軸位置，并令x＝0；5)取出第x個數(shù)據(jù)點，其數(shù)值作為激活點的Y坐標(biāo)；
6)將x值作為激活點的X坐標(biāo)；7)讀出激活點存儲的數(shù)值m；8)令m＝m+512*a-m*a；9)將m重新存儲在激活點中；10)判斷x是否等于499，如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟1)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟11)；11)x＝x+1；12)轉(zhuǎn)到步驟5)；余輝步驟為a)讀出用戶設(shè)置的消隱強(qiáng)度b；b)x為當(dāng)前坐標(biāo)X軸位置，并令x＝0；c)y為當(dāng)前坐標(biāo)Y軸位置，并令y＝0；d)將x值作為激活點的X坐標(biāo)；e)將y值作為激活點的Y坐標(biāo)；f)讀出激活點存儲的數(shù)值m；g)令m＝m*b；h)將m重新存儲在激活點中；i)判斷x是否等于499；如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟j)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟k)；j)令x＝0并跳轉(zhuǎn)到步驟l)；k)令x＝x+1并跳轉(zhuǎn)到步驟d)；l)判斷y是否等于255；如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟m)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟n)m)令y＝0并跳轉(zhuǎn)到第d)步驟；n)令y＝y(tǒng)+1并跳轉(zhuǎn)到第d)步驟；其激活強(qiáng)度a為數(shù)字熒光體激活過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為激活操作被禁止而“1”為只需激活一次就可以達(dá)到最大的亮度。
其余輝強(qiáng)度b為數(shù)字熒光體余輝過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為一次消隱操作就可以降低到最低量度而“1”為永不消隱。
利用500*256個單元的9位隨機(jī)訪問存儲器作為數(shù)字熒光體，其每一個單元均可以獨立訪問。
數(shù)字熒光波形圖像處理器(DPWIP)的主要功能是實現(xiàn)對模擬示波器示波管的模擬。DPWIP主要分為四個部分?jǐn)?shù)字重采樣器(Digital Resampler)、可編程數(shù)字熒光體(Programmable Digital Phosphor，PDP)、數(shù)字采樣光柵(Digital Sampling Raster，DSR)和波形讀出控制器(Waveform ReadoutController，WRC)。
來自ADC的數(shù)字信號送入數(shù)字重采樣器進(jìn)行重新采樣(插值和/或抽取)，形成一個波形數(shù)據(jù)流并送入內(nèi)存管理器和數(shù)字采樣光柵DSR。內(nèi)存管理器的工作是將數(shù)據(jù)存入采樣內(nèi)存。DSR相當(dāng)于模擬示波器示波管的電子槍，而PDP相當(dāng)于模擬示波器示波管的熒光屏。DSR接受來自數(shù)字重采樣器的數(shù)據(jù)流并根據(jù)數(shù)據(jù)激發(fā)PDP，正如模擬示波器的那樣。每10ms，WRC通過DSR從PDP中讀出一個熒光區(qū)快照。
PDP的功能是模擬化學(xué)熒光粉。為了實現(xiàn)可編程數(shù)字熒光體，本發(fā)明使用RAM單元進(jìn)行模擬。具體方式如下使用一個保存在RAM單元中的整數(shù)數(shù)值來等效為化學(xué)熒光體的亮度，由內(nèi)存控制器修改數(shù)值來模擬熒光粉的激活和余輝。附圖2顯示了這種結(jié)構(gòu)。其中，Memory Cell為RAM單元中的整數(shù)值，代表該點熒光體的亮度，而ALU1和ALU2兩個運(yùn)算器分別進(jìn)行熒光體的激活過程和余輝消隱過程。內(nèi)存單元的字長決定了亮度等級。在本發(fā)明中，為了平衡顯示效果和模型復(fù)雜程度，內(nèi)存的字長定為9。這樣就可以實現(xiàn)多達(dá)512級灰度。
為了實現(xiàn)對數(shù)特性的激活和衰減，ALU1的操作如下所示設(shè)m為存儲器中的當(dāng)前數(shù)值，f為存儲器單元所能存儲的最大整數(shù)(在本發(fā)明中為511)，a表示激活強(qiáng)度，范圍為0~1，“0”意味著激活操作被禁止而“1”意味著只需激活一次就可以達(dá)到最大的亮度(即DSO模式)。則可以得出，ALU1的操作為m＜＝m+f*a-m*a；ALU2的操作如下所示設(shè)m為存儲器中的當(dāng)前數(shù)值，f為存儲器單元所能存儲的最大整數(shù)(在本發(fā)明中為511)，b表示激活強(qiáng)度，范圍為0~1，“0”意味著一次消隱操作就可以降低到最低量度而“1”意味著永不消隱(即永久顯示保持模式)。則可以得出，ALU1的操作為m＜＝m*b；
在本發(fā)明中，500×256的熒光體陣列組成了可編程數(shù)字熒光體。
如上面所說，存儲器單元陣列可被用于可編程數(shù)字熒光體。因此，在數(shù)字采樣光柵DSR中，兩個指向PDP的指針被用在兩個進(jìn)程中一個用作激活，另一個用作消隱。
進(jìn)程1負(fù)責(zé)將指針1從左向右，即x軸，的移動，速度由所選擇的時基決定。Y軸由輸入數(shù)據(jù)流直接控制。隨著指針在PDP上的移動，相應(yīng)的PDP單元由ALU1立即處理。讀寫操作耗費(fèi)2個時鐘周期。
進(jìn)程2負(fù)責(zé)將指針2從左上到右下移動。對于化學(xué)熒光粉，消隱的速度比激活的速度長的多，因此指針移動的速度可以稍稍慢一些。隨著指針在PDP上的移動，相應(yīng)的PDP單元由ALU2立即處理。讀寫操作耗費(fèi)2個時鐘周期。
值得注意的事，為了保證DPWIP的高速處理，激活過程和消隱過程是同時并行進(jìn)行的。
有益效果本發(fā)明能夠完全實現(xiàn)數(shù)字熒光波形圖像處理器，并可用于數(shù)字熒光示波器中并實現(xiàn)數(shù)字熒光示波器的兩大主要功能波形顯示的亮度層次以及快速波形處理。
正如前文所述，DSR在PDP的相應(yīng)位置不斷激發(fā)，所形成的軌跡即為波形。同時DSR在不斷重復(fù)消隱操作。因此，波形在某一點上的概率密度越大，PDP上對應(yīng)單元的激活次數(shù)就越多，因此該點的亮度也就越大。這一點和ART是相同的。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)波形顯示的亮度層次。
在模擬實時示波器中，波形的顯示速度通常用點的移動速度，即厘米/秒，來衡量。在數(shù)字熒光示波器中，也可以相應(yīng)的用像素/秒來衡量。類似的單位，幀/秒，是更常用的單位。在本作品中，1幀/秒＝500像素/秒。因此，我們可得到Vpixel=fmaxNextpixel/s]]>Vframe=fmax500·Nextframe/s]]>Next表示整個過程所需要的時鐘周期數(shù)，fmax表示整個進(jìn)程所能達(dá)到的最大時鐘頻率。利用雙端口訪問RAM的兩個端口實現(xiàn)寫入和讀出的并行操作。
將復(fù)雜的運(yùn)算操作(激活和消隱)流水化操作以使其在單個時鐘周期內(nèi)即可完成，并且合理分配三個進(jìn)程間的時間片，使得激活操作可以以獨占任務(wù)的形式運(yùn)作。因此，Next的峰值接近于1。因此，在fmax＝400MHz時，本發(fā)明最大能達(dá)到的峰值波形處理速率Vframe max≈800,000波形/秒。為Tektronix所能實現(xiàn)的400,000波形/秒的兩倍。


圖1是數(shù)字熒光波形圖像處理器(DPWIP)的功能結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是數(shù)字可編程熒光體(PDP)的功能示意圖。
圖3是數(shù)字熒光波形圖像處理器(DPWIP)的熒光體激活過程示意圖。
圖4是數(shù)字熒光波形圖像處理器(DPWIP)的熒光體消隱過程示意圖。
圖5是數(shù)字熒光波形圖像處理器(DPWIP)的熒光體激活過程流程圖。
圖6是數(shù)字熒光波形圖像處理器(DPWIP)的熒光體消隱過程流程圖。
圖7是本發(fā)明的一個實施例。
圖8是本發(fā)明用在數(shù)字熒光示波器中的一個實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明的數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法，其特征在于實現(xiàn)方法分為兩個獨立且并行的步驟，分別為激活步驟和余輝步驟其中激活步驟為1、入并存儲波形信號數(shù)據(jù)；2、對存儲的波形信號數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣得到500個數(shù)據(jù)點并存儲；3、讀出用戶設(shè)置的激活強(qiáng)度a；4、x為當(dāng)前坐標(biāo)X軸位置，并令x＝0；5、取出第x個數(shù)據(jù)點，其數(shù)值作為激活點的Y坐標(biāo)；6將x值作為激活點的X坐標(biāo)；7、讀出激活點存儲的數(shù)值m；8、令m＝m+512*a-m*a；9、將m重新存儲在激活點中；
10、判斷x是否等于499，如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟1)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟11)；11、x＝x+1；12、轉(zhuǎn)到步驟5)；余輝步驟為a讀出用戶設(shè)置的消隱強(qiáng)度b；b、x為當(dāng)前坐標(biāo)X軸位置，并令x＝0；c、y為當(dāng)前坐標(biāo)Y軸位置，并令y＝0；d、將x值作為激活點的X坐標(biāo)；e、將y值作為激活點的Y坐標(biāo)；f、讀出激活點存儲的數(shù)值m；g、令m＝m*b；h、將m重新存儲在激活點中；i、判斷x是否等于499；如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟j)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟k)；j、令x＝0并跳轉(zhuǎn)到步驟i)；k、令x＝x+1并跳轉(zhuǎn)到步驟d)；l、判斷y是否等于255；如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟m)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟n)m、令y＝0并跳轉(zhuǎn)到第d)步驟；n、令y＝y(tǒng)+1并跳轉(zhuǎn)到第d)步驟；激活強(qiáng)度a為數(shù)字熒光體激活過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為激活操作被禁止而“1”為只需激活一次就可以達(dá)到最大的亮度。
余輝強(qiáng)度b為數(shù)字熒光體余輝過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為一次消隱操作就可以降低到最低量度而“1”為永不消隱。
利用500*256個單元的9位隨機(jī)訪問存儲器作為數(shù)字熒光體，其每一個單元均可以獨立訪問。
附圖7為本發(fā)明的一個實施例。
本實施例使用場可編程邏輯陣列(FPGA)構(gòu)建DPWIP。FPGA具有可重復(fù)編程，使用靈活，可反復(fù)修改，速度快的優(yōu)點。本實施例采用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，具有極其優(yōu)越的性能表現(xiàn)。LX系列強(qiáng)調(diào)高性能邏輯應(yīng)用，這一點正合適本發(fā)明的PDP和DSR實現(xiàn)。內(nèi)部的1296Kb雙端口RAM塊可被組織為本作品的PDP。在本實施例中，fmax≈500MHz。
附圖8為本發(fā)明的另一個實施例。
本實施例為一個數(shù)字熒光示波器的簡化結(jié)構(gòu)圖。其中本發(fā)明所實現(xiàn)的DPWIP被集成在FPGA中。FPGA中還集成了總控制器、采樣控制器、顯示控制器等部件。工作過程如下輸入信號經(jīng)過模擬前端的調(diào)理后送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字流。數(shù)字流通過采樣控制器送入波形存儲器存儲，并同時送入數(shù)字熒光波形圖像處理器進(jìn)行熒光波形處理。每隔一定時間數(shù)字熒光波形圖像處理器送出一幀數(shù)字熒光體的快照，通過顯示控制器送出至顯示器顯示。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法，其特征在于實現(xiàn)方法分為兩個獨立且并行的步驟，分別為激活步驟和余輝步驟其中激活步驟為1)、讀入并存儲波形信號數(shù)據(jù)；2)、對存儲的波形信號數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣得到500個數(shù)據(jù)點并存儲；3)、讀出用戶設(shè)置的激活強(qiáng)度a；4)、x為當(dāng)前坐標(biāo)X軸位置，并令x＝0；5)、取出第x個數(shù)據(jù)點，其數(shù)值作為激活點的Y坐標(biāo)；6)、將x值作為激活點的X坐標(biāo)；7)、讀出激活點存儲的數(shù)值m；8)、令m＝m+512*a-m*a；9)、將m重新存儲在激活點中；10)、判斷x是否等于499，如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟1)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟11)；11)、x＝x+1；12)、到步驟5)；余輝步驟為a、讀出用戶設(shè)置的消隱強(qiáng)度b；b、x為當(dāng)前坐標(biāo)X軸位置，并令x＝0；c、y為當(dāng)前坐標(biāo)Y軸位置，并令y＝0；d、將x值作為激活點的X坐標(biāo)；e、將y值作為激活點的Y坐標(biāo)；f、讀出激活點存儲的數(shù)值m；g、令m＝m*b；h、將m重新存儲在激活點中；l、判斷x是否等于499；如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟j)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟k)；j、令x＝0并跳轉(zhuǎn)到步驟l)；k、令x＝x+1并跳轉(zhuǎn)到步驟d)；l、判斷y是否等于255；如等于則跳轉(zhuǎn)到步驟m)；否則跳轉(zhuǎn)到步驟n)m、令y＝0并跳轉(zhuǎn)到第d)步驟；n、令y＝y(tǒng)+1并跳轉(zhuǎn)到第d)步驟；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法，其特征在于其激活強(qiáng)度a為數(shù)字熒光體激活過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為激活操作被禁止而“1”為只需激活一次就可以達(dá)到最大的亮度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法，其特征在于其余輝強(qiáng)度b為數(shù)字熒光體余輝過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為一次消隱操作就可以降低到最低量度而“1”為永不消隱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法，其特征在于利用500*256個單元的9位隨機(jī)訪問存儲器作為數(shù)字熒光體，其每一個單元均可以獨立訪問。
全文摘要
一種數(shù)字熒光波形圖像處理器的實現(xiàn)方法是一種電子測量儀器所用的圖像處理器，特別是用于波形顯示的示波器的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)方法分為兩個獨立且并行的步驟，分別為激活步驟和余輝步驟激活強(qiáng)度a為數(shù)字熒光體激活過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為激活操作被禁止而“1”為只需激活一次就可以達(dá)到最大的亮度。余輝強(qiáng)度b為數(shù)字熒光體余輝過程的強(qiáng)度，范圍為0~1；“0”為一次消隱操作就可以降低到最低量度而“1”為永不消隱。利用500*256個單元的9位隨機(jī)訪問存儲器作為數(shù)字熒光體，其每一個單元均可以獨立訪問。
文檔編號G01R13/00GK1712972SQ20051004073
公開日2005年12月28日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者戴戈 申請人:東南大學(xué)