技术领域
[0001] 本
发明属于数据采集系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种具有波形多帧记录功能的数据采集系统。
背景技术
[0002] 随着现代
电子技术和信息处理的飞速发展，现代测试仪器的采集和显示功能越来越多样化，尤其是功能强大的数字示波器，可以集波形采集、万用表功能、
信号发生器、
频谱仪等功能于一体，而且其
采样率和带宽都得到了飞速增长，可以测量和采集多领域的
电信号和物理信号，以及具有友好的
人机交互界面供用户从多
角度观察波形变化，但是在数据采集系统中依然存在如下
缺陷：
[0003] (1)、现在的数据采集系统虽然具备足够深度的存储功能，但是缺乏在长时间测试中对一组关键事件的连续捕捉，比如当设备在无人监控的情况下要长时间地对多个关键事件进行不间断的记录时，那么就无法满足用户的需求。
[0004] (2)、现在的数据采集系统虽然具备强大的触发功能，可以准确的捕捉任何关键事件，但是缺乏对触发类型的多方位组合，在一段时间内被测信号可能会重复出现关键事件或者出现多个不同的关键事件，这时候就需要组合触发类型形成触发阵列，从而捕获多变的异常事件。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种具有波形多帧记录功能的数据采集系统，可以对数据进行深存储，并对符合触发参数的波形进行多帧分区域存储，便于用户观察波形细节。
[0006] 为了实现以上发明目的，本发明具有波形多帧记录功能的数据采集系统包括采集模
块、中央控
制模块、触发模块、通道数据选择模块、趋势波形抽点模块、趋势波形缓存模块、深存储波形前端缓存与转换模块、
存储器控制模块、深存储波形后端缓存与转换模块、深存储波形抽点模块、外部存储器、上位机、显示屏，其中中央控制模块、触发模块、通道数据选择模块、趋势波形抽点模块、趋势波形缓存模块、深存储波形前端缓存与转换模块、存储器控制模块、深存储波形后端缓存与转换模块、深存储波形抽点模块在FPGA中实现；
[0007] 采集模块用于对数据源进行采集，记采集模块的通道数量为N，采样率为χ，将采集到的N路数据流发送至通道数据选择模块：
[0008] 中央控制模块接收上位机发送的通道序号n转发给通道数据选择模块，接收上位机发送的趋势波形抽点系数ε1转发给趋势波形抽点模块，接收上位机发送的深存储波形抽点系数ε2转发给深存储波形抽点模块，接收上位机发送的趋势波形写操作指令转发给趋势波形缓存模块，接收上位机发送的多帧记录的存储深度Q1、独立存储区域数量M、K个触发类型对应的记录帧数φk、深存储波形写操作指令和深存储波形读操作指令转发给存储器控制模块，其中捕获波形写操作指令包含写初始地址、预触发深度predepth和后触发深度postdepth，接收上位机发送的K个触发类型的触发参数Tk转发给触发模块；从趋势波形缓存模块读取趋势波形数据Datai2转发给上位机，从存储器控制模块接收深存储波形数据写满标志信号转发给上位机，从深存储波形抽点模块接收深存储波形数据转发给上位机；
[0009] 触发模块用于接收中央控制模块转发的K个触发类型的触发参数Tk，产生K个对应的触发信号Sigk发送给存储器控制模块；
[0010] 通道数据选择模块接收中央控制模块转发的通道序号n，选通采集模块的通道n，接收其采集数据Data并发送给趋势波形抽点模块和深存储波形前端缓存与转换模块；
[0011] 趋势波形抽点模块接收中央控制模块发送的趋势波形抽点系数ε1，对采集数据Data进行抽点，得到主波形数据Datai1发送给趋势波形缓存模块；
[0012] 趋势波形缓存模块在接收到趋势波形写操作指令后，接收主波形数据Datai1进行缓存；
[0013] 深存储波形前端缓存与转换模块用于接收采集数据Data进行缓存，并将其转换至外接存储器的时钟下，将转换得到的数据Dataj1输出至存储器控制模块；
[0014] 存储器控制模块用于对外接存储器进行写操作控制和读操作控制，具体内容如下：
[0015] 存储器控制模块接收中央控制模块转发的深存储波形写操作信号、多帧记录的存储深度Q1、独立存储区域数量M、K个触发类型对应的记录帧数φk，根据写初始地址和独立存储区域数量M计算得到各个独立存储区域的地址范围λm；存储器控制模块接收中央控制模块转发的K个触发类型对应的记录帧数φk，为第k个触发类型分配φk个独立存储区域；
[0016] 存储器控制模块从触发模块接收K个触发信号Sigk，依次选择每个触发信号对深存储波形进行触发存储，其具体过程为：
[0017] 1)令第k个触发类型的独立存储区域序号r＝1；
[0018] 2)从深存储波形前端缓存与转换模块中读取数据Dataj1，将数据Dataj1循环写入第k个触发类型的对应的第r个独立存储区域中，并根据第k个触发信号Sigk进行触发判断，如果未触发，则不作任何操作，如果触发，则
锁存触发地址tri_addrk,r，继续向外接存储器写入postdepth个数据，然后向中央控制模块发送第k个触发类型第r帧深存储数据写满标志信号；如果在预设的时间T内未实现触发，则锁存当前地址作为触发地址tri_addrk,r，继续向外接存储器写入postdepth个数据，然后向中央控制模块发送第k个触发类型第r帧深存储数据写满标志信号；
[0019] 3)如果r＜φk，则令r＝r+1，返回步骤2)，否则选择下一个触发信号；
[0020] 存储控制模块接收中央控制模块转发的深存储波形读操作信号，依次计算第k个触发类型第r帧深存储数据在外部存储器的读起始地址begin_addr＝tri_addrk,r-predepth，从读起始地址开始从对应的独立存储区域中读出α2个数据，将φ1+φ2+...+φN帧深存储波形数据构成数据Dataj2发送给深存储波形后端缓存与转换模块；
[0021] 深存储波形后端缓存与转换模块用于对数据Dataj2进行缓存，并将其转换至FIFO的读时钟下，将转换得到的数据Dataj3输出至深存储波形抽点模块；
[0022] 深存储波形抽点模块接收中央控制模块发送的深存储波形抽点系数ε2，对数据Dataj3进行抽点，得到数据Dataj4发送给中央控制模块；
[0023] 外部存储器用于存储深存储波形数据；
[0024] 上位机根据用户设置的参数计算各模块的参数，通过中央控制模块对各个模块进行设置，并对接收的数据进行处理，具体包括：
[0025] 1)接收用户设置的多帧记录的存储深度Q1＝L*W，L为多帧记录时每一帧的记录长度，W为每一个数据点的位宽，将外部存储器划分为 个相互的独立存储区域，其中Q为外部存储器的存储容量， 表示向下取整，m＝1,2,…,M；
[0026] 2)接收用户设置的触发类型的触发参数Tk以及每个触发类型对应的记录帧数φk，k＝1,2,…,K，K表示触发类型的数量，需要满足φ1+φ2+...+φN≤M；
[0027] 3)上位机接收用户输入的通道选择序号n、慢时基档位Ti和快时基档位Tj，计算趋势波形抽点系数ε1和深存储波形抽点系数ε2，其中趋势波形抽点系数ε1的计算公式如下：
[0028]
[0029] 其中，α表示显示屏显示一帧主波形需要的数据点，β表示显示屏显示主波形的格数；
[0030] 深存储波形抽点系数ε2的计算方法如下：
[0031] 根据以下公式求解得到适用的等效采样率χ2和采样点数α2的组合：
[0032] χ2＝α2/(β*Tj)
[0033] s.t.χ2≤χ,α2＜Q1
[0034] 根据需要在适用的等效采样率χ2和采样点数α2的组合中选择一组，然后计算深存储波形抽点系数ε2＝χ/χ2；
[0035] 上位机将通道选择序号n、计算得到的趋势波形抽点系数ε1和深存储波形抽点系数ε2、多帧记录的存储深度Q1、独立存储区域数量M、K个触发类型的触发参数Tk以及K个触发类型对应的记录帧数φk发送给中央控制模块，并向中央控制模块发送趋势波形写操作信号和深存储波形写操作信号，深存储波形写操作信号包括写初始地址、预触发深度predepth和后触发深度postdepth，其中predepth+postdepth＝α2；
[0036] 每当上位机接收到中央控制模块转发的一屏趋势波形数据，则将其送入显示屏进行显示；每当上位机接收到中央控制模块转发的φ1+φ2+...+φK个存储波形写满标志信号后，向中央控制模块发送存储波形读操作信号，接收中央控制模块反馈的φ1+φ2+...+φK帧深存储波形数据，然后逐帧送入显示屏进行显示，否则不作任何操作；
[0037] 显示屏用于对接收到的趋势波形数据和深存储波形数据进行显示。
[0038] 本发明具有波形多帧记录功能的数据采集系统，在对采集数据进行常规采集、缓存和显示以外，还对采集数据进行了多帧记录，其具体方法为：用户设置多个触发类型，生成触发信号，将外部存储器划分为多个独立存储区域并分配给各个触发类型；将采集数据写入某个独立存储区域，然后用对应的触发信号进行触发判断并存储得到深存储波形数据，并根据计算得到的抽点系数对深存储波形数据进行抽点然后显示。
[0039] 本发明具有以下技术效果：
[0040] 1)本发明支持用户预先设定触发类型以及每个类型的记录帧数，设定好后数据采集系统可以自动对具备触
发条件的关键事件进行连续记录，保证在一个连续的时间段内不会错过用户想要捕捉的关键事件，而且严格按照用户预设的触发类型队列进行记录；
[0041] 2)本发明通过对趋势波形的实时显示便于用户观察到波形的概貌，通过深存储波形数据的显示便于用户观察到波形的细节；
[0042] 3)本发明在长期无人看守的使用场景下，可以长时间捕获异常事件，通过简单设置即可实现用户远程设置触发类型启动数据采集系统，并设置每次进行触发时都记录触发时间，从而实现对数据源数日或数星期的记录，用户可以在记录完毕再根据触发时间提取数据进行分析。
附图说明
[0043] 图1是本发明具有波形多帧记录功能的数据采集系统的具体实施方式结构图；
[0044] 图2是本
实施例中外部存储器的划分示意图。
具体实施方式
[0045] 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。
[0046] 实施例
[0047] 图1是本发明具有波形多帧记录功能的数据采集系统的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明具有波形多帧记录功能的数据采集系统包括采集模块1、中央控制模块2、触发模块3、通道数据选择模块4、趋势波形抽点模块5、趋势波形缓存模块6、深存储波形前端缓存与转换模块7、存储器控制模块8、深存储波形后端缓存与转换模块9、深存储波形抽点模块10、外部存储器11、上位机12、显示屏13，其中中央控制模块2、触发模块3、通道数据选择模块4、趋势波形抽点模块5、趋势波形缓存模块6、深存储波形前端缓存与转换模块7、存储器控制模块8、深存储波形后端缓存与转换模块9、深存储波形抽点模块10在FPGA((Field－Programmable Gate Array，现场可编程
门阵列)中实现。接下来对各个模块进行详细说明。
[0048] 采集模块1用于对数据源进行采集，记采集模块1的通道数量为N，采样率为χ，将采集到的N路数据流发送至通道数据选择模块4。本实施例中采集模块1采用128路的ADC采集板卡，数据位宽为16bit，采样率为100MS/s。
[0049] 中央控制模块2用于上位机12和其他各模块之间控制信息与数据的中转，包括：
[0050] 接收上位机12发送的通道序号n转发给通道数据选择模块4，接收上位机12发送的趋势波形抽点系数ε1转发给趋势波形抽点模块5，接收上位机12发送的深存储波形抽点系数ε2转发给深存储波形抽点模块10，接收上位机12发送的趋势波形写操作指令转发给趋势波形缓存模块6，接收上位机12发送的多帧记录的存储深度Q1、独立存储区域数量M、K个触发类型对应的记录帧数φk、深存储波形写操作指令和深存储波形读操作指令转发给存储器控制模块8，其中捕获波形写操作指令包含写初始地址、预触发深度predepth和后触发深度postdepth，接收上位机12发送的K个触发类型的触发参数Tk转发给触发模块3；
[0051] 从趋势波形缓存模块6读取趋势波形数据Datai2转发给上位机12，从存储器控制模块8接收深存储波形数据写满标志信号转发给上位机12，从深存储波形抽点模块10接收深存储波形数据转发给上位机12。
[0052] 触发模块3用于接收中央控制模块2转发的K个触发类型的触发参数Tk，产生K个对应的触发信号Sigk发送给存储器控制模块8。
[0053] 通道数据选择模块4接收中央控制模块2转发的通道序号n，选通采集模块1的通道n，接收其采集数据Data并发送给趋势波形抽点模块5和深存储波形前端缓存与转换模块7。
[0054] 趋势波形抽点模块5接收中央控制模块2发送的趋势波形抽点系数ε1，对采集数据Data进行抽点，得到趋势波形数据Datai1发送给趋势波形缓存模块6。
[0055] 趋势波形缓存模块6在接收到趋势波形写操作指令后，接收趋势波形数据Datai1进行缓存。由于本发明中趋势波形的采样、存储和显示工作在慢时基下的滚动模式，需要能够边写边读的模块来缓存波形，故趋势波形缓存模块6采用FPGA内部的FIFO实现。设置数据读写位宽为W，W为数据Data的位宽，在节省资源的情况下设置FIFO的存储深度。
[0056] 深存储波形前端缓存与转换模块7用于接收采集数据Data进行缓存，并将其转换至外接存储器的时钟下，将转换得到的数据Dataj1输出至存储器控制模块8。类似地，深存储波形缓存模块也采用FPGA内部的FIFO实现，设置读写位宽为W，以占用最少逻辑资源为规则设置FIFO的存储深度。令FIFO的读端口时钟连接采集数据Data的同步时钟，本实施例中为100Mhz，FIFO的写端口时钟连接外接存储器的用户时钟，本实施例中为200Mhz，以实现数据到外接存储器的跨时钟域转换。
[0057] 存储器控制模块8用于对外接存储器11进行写操作控制和读操作控制，具体内容如下：
[0058] 存储器控制模块8接收中央控制模块2转发的深存储波形写操作信号、多帧记录的存储深度Q1、独立存储区域数量M、K个触发类型对应的记录帧数φk，根据写初始地址和独立存储区域数量M计算得到外部存储器11中各个独立存储区域的地址范围λm。图2是本实施例中外部存储器的划分示意图。如图2所示，本实施例中采用连续分配的方式，记写初始地址为A，则第m个独立存储区域的地址范围λm为[A+(m-1)Q1,A+mQ1]。存储器控制模块8接收中央控制模块2转发的K个触发类型对应的记录帧数φk，为第k个触发类型分配φk个独立存储区域。
[0059] 存储器控制模块8从触发模块3接收K个触发信号Sigk，依次选择每个触发信号对深存储波形进行触发存储，其具体过程为：
[0060] 1)令第k个触发类型的独立存储区域序号r＝1。
[0061] 2)从深存储波形前端缓存与转换模块7中读取数据Dataj1，将数据Dataj1循环写入第k个触发类型的对应的第r个独立存储区域中，并根据第k个触发信号Sigk进行触发判断，如果未触发，则不作任何操作，如果触发，则锁存触发地址tri_addrk,r，继续向外接存储器写入postdepth个数据，然后向中央控制模块2发送第k个触发类型第r帧深存储数据写满标志信号；如果在预设的时间T内未实现触发，则锁存当前地址作为触发地址tri_addrk,r，继续向外接存储器写入postdepth个数据，然后向中央控制模块2发送第k个触发类型第r帧深存储数据写满标志信号。也就是说，如果第k个触发类型在当前数据中未实现触发，则在时间计满时存储当前的数据即可。
[0062] 3)如果r＜φk，则令r＝r+1，返回步骤2)，否则选择下一个触发信号。
[0063] 存储控制模块接收中央控制模块2转发的深存储波形读操作信号，依次计算第k个触发类型第r帧深存储数据在外部存储器11的读起始地址begin_addr＝tri_addrk,r-predepth，从读起始地址开始从对应的独立存储区域中读出α2个数据，将φ1+φ2+...+φN帧深存储波形数据构成数据Dataj2发送给深存储波形后端缓存与转换模块9。
[0064] 深存储波形后端缓存与转换模块9用于对数据Dataj2进行缓存，并将其转换至FIFO的读时钟下，将转换得到的数据Dataj3输出至深存储波形抽点模块10。同样地，深存储波形后端缓存与转换模块9也采用FPGA内部的FIFO实现，设置读写位宽为ε，以占用最少逻辑资源为规则设置FIFO的存储深度。FIFO读端口时钟连接存储器的用户时钟，FIFO写端口时钟连接Dataj2的同步时钟，以实现外部存储器11到FPGA内部数据的跨时钟域转换。
[0065] 深存储波形抽点模块10接收中央控制模块2发送的深存储波形抽点系数ε2，对数据Dataj3进行抽点，得到数据Dataj4发送给中央控制模块2。
[0066] 外部存储器11用于存储深存储波形数据。
[0067] 上位机12根据用户设置的参数计算各模块的参数，通过中央控制模块2对各个模块进行设置，并对接收的数据进行处理与显示，具体包括：
[0068] 1)上位机12接收用户设置的多帧记录的存储深度Q1＝L*W，L为多帧记录时每一帧的记录长度(单位：points)，W为每一个数据点的位宽，将外部存储器11划分为个相互的独立存储区域，其中Q为外部存储器11的存储容量， 表示向下取整，m＝1,2,…,M。
[0069] 2)上位机12接收用户设置的触发类型Tk以及每个触发类型对应的记录帧数φk，k＝1,2,…,K，K表示触发类型的数量，需要满足φ1+φ2+...+φN≤M。
[0070] 3)上位机12接收用户输入的通道选择序号n、慢时基档位Ti和快时基档位Tj，计算趋势波形抽点系数和捕获波形抽点系数，计算方法分别如下：
[0071] ·趋势波形抽点系数
[0072] 记显示屏13显示一帧趋势波形需要α个数据点，共β格，那么一帧波形的采样时间为β*Ti，则显示屏13上两个点的时间间隔为t1＝(β*Ti)/α，趋势波形的显示采样率为χ1＝[α/(β*Ti)]，即当选择的时基档位值无法被整除时，选取χ1为近似的整数值，从而可计算当前时基档位下的趋势波形抽点系数
[0073] 本实施例中显示屏13一帧波形需要1000个数据点，共10格，每格100个点，故设置最大存储深度为1kpts。假设用户所设置的慢时基档位为200ms/div，显示屏13的两点时间间隔t1＝(200ms*10)/1000＝2ms，显示采样率χ1＝1/2ms＝500S/s，从而可计算趋势波形抽点系数ε1＝100M/500＝2×105。
[0074] ·深存储波形抽点系数
[0075] 记外接存储器11的存储深度为δ，其中δ＞＞α。采集模块1的采样率χ为捕获波形采样率的上限，因此本发明中，在计算快时基档位Tj下的等效采样率和采样点数必须保证两个条件：
[0076] (a)不超过χ尽量保证等效采样率越高越好。
[0077] (b)保证采样点数α2小于当前存储深度δ。
[0078] 由于等效采样率χ2和采样点数α2的关系式为χ2＝α2/(β*Tj)α2＝χ2*β*Tj，因此根据以下公式求解得到适用的等效采样率χ2和采样点数α2的组合：
[0079] χ2＝α2/(β*Tj)
[0080] s.t.χ2≤χ,α2＜δ
[0081] 根据需要在适用的等效采样率χ2和采样点数α2的组合中选择一组，一般优先选择等效采样率χ2最大的组合。然后计算深存储波形抽点系数ε2＝χ/χ2。
[0082] 此处假定100M为最高采样率，在存储深度100kpts、时基10μs/div下，先确定等效采样率χ2为100MS/s，则计算采样点数为α2＝(10μs*10)*100M＝10kpts，从而计算深存储波形抽点系数ε2＝100M/100M＝1，即不抽点；再如在存储深度100kpts、时基500μs/div下，若以最高采样率100M作为等效采样率χ2，则采样点数α2＝(500μs*10)*100M＝500kpts大于当前存储深度100kpts，故先确定采样点数为100kpts，计算等效采样率χ2＝100k/(500μs*10)＝20MS/s，从而计算深存储波形抽点系数ε2＝100M/20M＝5。
[0083] 上位机12将通道选择序号n、计算得到的趋势波形抽点系数ε1和深存储波形抽点系数ε2、多帧记录的存储深度Q1、独立存储区域数量M、K个触发类型Tk以及K个触发类型对应的记录帧数φk发送给中央控制模块2，并向中央控制模块2发送趋势波形写操作信号和深存储波形写操作信号，深存储波形写操作信号包括写初始地址、预触发深度predepth和后触发深度postdepth，其中predepth+postdepth＝α2。一般来说，为了使捕获波形中触发地址对应的数据位于显示屏13中间，令predepth＝α2/2。
[0084] 每当上位机12接收到中央控制模块2转发的一屏趋势波形数据，即α1个趋势波形数据，α1表示趋势波形的采样点数，则将其送入显示屏13进行显示。每当上位机12接收到中央控制模块2转发的φ1+φ2+...+φN个存储波形写满标志信号后，向中央控制模块2发送深存储波形读操作信号，接收中央控制模块2反馈的φ1+φ2+...+φN帧深存储波形数据，然后逐帧送入显示屏13进行显示，否则不作任何操作。
[0085] 显示屏13用于对接收到的趋势波形数据和深存储波形数据进行显示。一般来说，显示屏13在对趋势波形数据和深存储波形数据进行显示前，会根据采样点数和显示点数进行抽点。
[0086] 为了更好地说明本发明的技术方案，对本发明具有波形多帧记录功能的示波记录仪的工作流程进行简要说明。
[0087] 上位机12根据用户设置的时基计算抽点系数后，通过
控制器下发至趋势波形抽点模块5和深存储波形抽点模块10，然后采集模块1进行信号采集，通道数据选择模块根据上位机12中设置的通道序号将对应通道的序号发送给趋势波形抽点模块5和深存储波形前端缓存与转换模块7。趋势波形抽点模块5按照其抽点系数进行抽点，缓存至趋势波形缓存模块6，由中央控制模块2读取送入上位机12进行连续显示。深存储波形前端缓存与转换模块7用于缓存采集数据。
[0088] 触发模块3根据用户在上位机12中设置的K个触发类型的触发参数生成K个触发信号发送给存储器控制模块8。存储器控制模块8根据用户在上位机设置的参数将外部存储器11划分成若干独立存储区域，分配给不同的触发类型。然后从深存储波形前端缓存与转换模块7中读取采集数据，采用K个触发类型对应的触发信号进行触发，将触发的深存储波形数据存储至对应的独立存储区域中，存储满后即向上位机发送深存储波形写满标志信号。
[0089] 上位机12读取趋势波形数据进行连续显示。然后每当上位机12接收到中央控制模块2转发的φ1+φ2+...+φN个存储波形写满标志信号后，则通过中央控制模块2下发深存储波形读操作信号，从外部存储器11中读取φ1+φ2+...+φN帧深存储波形数据，经深存储波形后端缓存与转换模块9进行缓存和时钟转换，再经深存储波形抽点模块10抽点后通过中央控制模块2反馈至上位机，送入显示屏13进行显示。
[0090] 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。
