DE102015004665A1

DE102015004665A1 - Grafikcontroller für Messgeräte zur Darstellung eines Histogramms mit kurzer Latenzzeit

Info

Publication number: DE102015004665A1
Application number: DE102015004665.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-22
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Herkömmliche Messgeräte zur Darstellung von Histogrammen beispielsweise zur Spektralanalyse mit herkömmlichen Grafikcontrollern haben eine hohe Latenzzeit, weil flächig große Mengen an Grafikdaten speziell bei Histogrammdarstellungen mit hohem Aufwand umgerechnet und in dem Videospeicher abgelegt werden müssen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch eine geschickte dynamische Auswahl verschiedener Farbumsetztabellen noch während der Erzeugung des Videosignals das unmittelbare Ablegen von Mess- und Häufigkeitswerten in einem Videospeicher und vermeidet so den hohen Umrechnungsaufwand. Dadurch wird die Konstruktion von portablen Messgeräten mit einer schnellen Darstellung von Histogrammen und Wasserfall-Diagrammen bei geringer Leistungsaufnahme ermöglicht.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät zu komstruieren, welches Messwerte mit möglichst kurzer Latenzzeit und geringer Leistungsaufnahme der Elektronik farblich graduiert auf einem Display, vorzugsweise nach dem Stand der Technik einem TFT LCD Display, darstellt.
Herkömmliche Messgeräte dieser Bauart, z. B. Echtzeit Spektrum-Analysatoren der gängigen Messgerätehersteller, bestehen aus einem Frontend, welches die zu messenden Größen oder Signale, z. B. ein Hochfrequenzsignal, erfasst. Danach werden die Ausgangssignale des Frontends zumeist einem oder mehreren Analog-Digital-Wandlern, einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, welche entweder als Universalprozessor, Signalprozessor oder in einem FPGA oder kundenspezifischen IC realisiert ist, zugeführt, wodurch weitere Filter- und Skalierungsoperationen auf den Messwerten durchgeführt werden können.
Die Darstellung erfolgt nach dem Stand der Technik dann dadurch, dass die Messwerte von einem Universalprozessor, häufig sogar als eingebetteter ISA – Industry Standard Architecture – Personal Computer realisiert, zugeführt werden und dieser mittels der verbauten Grafikkarte die Messwerte in einer geeigneten grafischen Darstellung präsentiert. Entsprechende Grafikcontroller auch speziell für Messgeräte sind hinlänglich aus der Literatur bekannt, siehe beispielsweise US 6356497B1 und US 7889198B2 .
In vielen Fällen wird dabei eine dreidimensionale Darstellung z. B. einer Amplitude über der Frequenz und Zeit dadurch realisiert, dass die Amplitude auf einer graduierten Farbskala abgebildet wird und jedem Punkt im Zeit-Frequenz-Diagramm ein Farbwert für die entsprechende Amplitude zugeordnet wird.
Ein dabei sehr häufig verlangter Sonderfall ist die Darstellung der Häufigkeit des Auftretens eines Messsignals in einer dreidimensionalen Darstellung, beispielsweise der Häufigkeit des Auftretens eines Amplitudenwerts über der Zeit oder Frequenz. Diese Darstellung wird als (Farb-)Histogramm bezeichnet.
In jüngster Zeit besteht angesichts des Auftretens vieler mobiler Anwendungen insbesondere im Bereich der Hochfrequenztechnik ein starker Bedarf nach handlichen, leicht mit einer Hand tragbaren Messgeräten. Dabei wird ebenfalls die Darstellung von Histogrammen gefordert, um z. B. selten auftretende Störsignale über ihre Häufigkeitswerte identifizieren zu können.
Die bisherige, oben beschriebene Architektur für derartige Messgeräte stößt bei einem mobilen Einsatz jedoch schnell an ihre Grenzen: Nachteilig ist insbesondere, dass entweder eine schnelle Darstellung der Messwerte mit kurzer Latenzzeit bei Bewegungen z. B. der Messantenne im Raum eine sehr hohe Rechenleistung des Universalprozessors und somit eine hohe Leistungsaufnahme bedingt oder beim Einsatz eines weniger leistungshungrigen Prozessors eine sehr träge Darstellung der gemessenen Werte resultiert.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, dieses Manko zu beseitigen und trotz einer geringen Leistungsaufnahme eine sehr flüssige Darstellung der Messwerte zu ermöglichen.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch den in Patentanspruch 1 beschriebenen Grafikcontroller gelöst, dessen Funktion im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird:
Das Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Grafikcontrollers. Der über den Universalprozessor CPU – Central Processing Unit – und die Grafikeinheit GPU – Graphics Processing Unit – führende Datenpfad zum Videospeicher DRAM1 – hier ein dynamisches RAM – dient zur Erstellung des Rahmens und weiterer fixer Angaben wie einzelner Zahlenwerte z. B. an Markerpositionen und entspricht dem bekannten Stand der Technik.
Die so im Videospeicher DRAM1 abgelegten Daten werden sodann zyklisch – einmal pro Video Frame – blockweise in den gemäß Unteranspruch bevorzugt genutzten FIFO-Buffer FIFO1 übertragen und dann zeilenweise an das Display TFT, vorzugsweise ein TFT LCD Bildschirm, transferiert.
Neu ist bei dem erfindungsgemäßen Grafikcontroller jetzt der zweite Datenpfad über die Zugriffseinheit RMW1, welche gemäß Hauptanspruch und Unteransprüchen die richtige Adresse für einen Messwert aus den Messdaten erzeugt und den Messwert mittels Read-Modify-Write Operation ebenfalls im Videospeicher an dafür reservierten Speicherzellen ablegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung erfolgt dies in einer anderen DRAM Bank, beispielsweise werden die Messwerte in Bank 1 und die übrigen Bilddaten in Bank 0 abgelegt. Hierdurch wird eine zeitliche Entkopplung der langsamen DRAM Zeilenadresszugriffe – ACTIVE und PRECHARGE Befehle zum Row Address Strobe – zwischen dem Zugriff der CPU und dem der Zugriffseinheit RMW1 für die Messdaten möglich.
Mittels eines Sequenzers SEQ1 wird jetzt während der Ausgabe der Videodaten in den FIFO-Speicher der Datenstrom nicht nur direkt zum Display transportiert, vielmehr wird genau an jenen Stellen, an denen Messwerte auf dem Bildschirm graduiert dargestellt werden sollen, eine spezielle Farbübersetzungstabelle CLU1 oder CLU2 ausgewählt. Insbesondere besteht durch die geeignete Konstruktion des Sequenzers die Möglichkeit, mehrere Farbübersetzungstabellen zu nutzen, abhängig davon, ob Messwerte oder Rahmendaten dargestellt werden sollen, ggf. sogar unterschiedliche Tabellen für unterschiedliche Fenster bei paralleler Darstellung mehrerer Diagramme.
Sinnvollerweise wird der Sequenzer SEQ1 auch die Adressen der entsprechenden Speicherstellen zum Auslesen auf den Bildschirm mit generieren, insbesondere getrennte Adressbereiche für die Darstellung der durch die GPU erzeugten Inhalte und der durch due Zugriffseinheit RMW1 verwalteten Messwerte. Hierdurch ist es möglich, das Fenster mit der Darstellung der Messwerte beliebig auf dem Display zu verschieben, ohne die Messwerte selber im DRAM1 umschichten zu müssen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung arbeitet der Sequenzer SEQ1 ein Programm ab, welches je nach Bildschirmzeile und Spalte die zu verwendende Farbtabelle und Speicherbank sowie eventuell gewünschte Überlagerungen – Alpha Blending – festlegt, hierbei können, um das Programm klein zu halten, auch Bereiche von Zeilen und Spalten angegeben werden, die dann über im Sequenzer eingebaute Zähler und Stapelregister – für die Wiederholung von Spaltenbefehlen in der jeweils nächsten Zeile – erkannt und angesteuert werden. Das hierfür benötigte Programm kann von der Software des Messgeräts automatisch aus der Lage der benötigten Fenster zur Darstellung von Messwerten auf dem Display generiert werden, Hierdurch ist es überraschenderweise möglich, direkt Messwerte oder Häufigkeitswerte im eigentlich für Grafikdaten vorgesehenen Videospeicher zu halten und unmittelbar ohne zusätzliche Latenzzeit eine geeignet farblich graduierte Darstellung auf dem Display zu erhalten.
Als besonders wertvoll erweist sich diese Möglichkeit gemäß Unteransprüchen für eine farbliche Histogramm- oder Wasserfalldiagrammdarstellung. Bei einem Wasserfalldiagramm werden einfach nacheinander die zeitlich zusammengehörenden, aber frequenzmäßig aufeinander folgenden Amplitudenmesswerte in dieser Reihenfolge durch die Zugriffseinheit RMW1 in den Videospeicher geschrieben.
Im Fall des Histogramms werden im Videospeicher Häufigkeitswerte gehalten, der Speicher ist dann z. B. im Fall einer Spektrumdarstellung in Zeilen mit gleicher Amplitude und Spalten mit gleicher Frequenz organisiert. Die Zugriffseinheit RMW1 errechnet dann zu einem vorliegenden Amplituden und Frequenzwert aus der vorgegebenen Frequenz und der bei dieser Frequenz gemessenen Amplitude eine Speicheradresse im Videospeicher durch eine lineare Verknüpfung beider Größen, an dieser Stelle wird dann mittels einer Read-Modify-Write Operation zunächst der alte Häufigkeitswert gelesen, dann um einen festen Wert erhöht und sodann wieder in den Speicher geschrieben. Bei der Erhöhung sollte ein Maximalwert festgelegt werden, um einen Überlauf zu vermeiden. Somit resultieren häufig bei einer Frequenz gemessene gleiche Amplitudenwerte in einem hohen Häufigkeitswert im Videospeicher. Durch die erfindungsgemäß getätigte Verwendung einer speziellen Farbtabelle für diese Messwerte wird jetzt unmittelbar die richtige Graduierung gewählt.
Typischerweise wird man eine ergonomische und intuitive Farbgraduierung wählen, bei der Rot für häufige und somit wichtige Messwerte steht, demzufolge verläuft die Farbskala dann entlang des Regenbogens über Gelb-Grün zu Blau für seltene Messwerte, fehlende Messwerte erscheinen dann schwarz.
Um die für ein Histogramm zumeist gewünschte begrenzte Persistenz der Messwerte zu gewährleisten, wird zusätzlich in zyklischen Durchgängen jede einzelne, Häufigkeitswerte enthaltende Speicherzelle des Videospeichers regelmäßig zur Subtraktion einer Konstanten oder Multiplikation mit einer Konstanten kleiner Eins über die Zugriffseinheit RMW1 angewählt, somit der Häufigkeitswert reduziert und damit eine kontinuierliche Darstellung der Häufigkeit je Zeitintervall realisiert.
Um das so möglicherweise entstehende Flimmern zu vermeiden, kann während der Ausgabe entweder für jene Messwerte, die noch nicht, oder jene, die schon modifiziert wurden, ein Offset solange zu diesen addiert werden, bis die Framegrenze erreicht ist. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung einer weichen Persistenz besteht in einem zeilen- oder spaltenweise geschachtelten Interleaved-Zugriff oder in der Wahl unterschiedlicher Farbtabellen für bereits bearbeitete und noch zu bearbeitende Häufigkeitswerte.
Eine weitere erfindungsgemäße Auswahl der Farbtabelle kann anstelle durch einen Sequenzer auch durch zusätzliche Datenbits im Videospeicher erfolgen, wodurch die Daten selber die jeweilige Farbtabelle anwählen. Nachteilig ist aber der erhöhte Speicherplatzbedarf und die nötige zusätzliche Codierung sowie mögliche Zugriffskonflikte.
In einer bevorzugten Ausführung gemäß Unteranspruch erfolgt auch die Mischung zur Transparenzerzeugung durch Alpha-Blending von Mess- und Rahmen-Daten zu einem einzigen Display-Pixel vor dem FIFO oder es werden mehrere FIFO-Speicher – im Bild als optionaler FIFO2 dargestellt – asynchron gefüllt und parallel ausgelesen, um dann abhängig vom Alpha-Wert die entsprechenden gemischten Farbwerte auszuwählen.
Gemäß Unteranspruch wird hierfür bevorzugt ein Overlay-Speicher oder Speicherbereich genutzt, um die festen Anteile des Diagramms wie z. B. Skalenwerte, Skalen- und Begrenzungslinien ungestört von der automatisierten Darstellung der Messwerte einblenden zu können. Durch das Alpha-Blending erscheinen diese Linien dann teilweise durchsichtig, sodass z. B. in einem Histogramm darunter liegende Häufigkeitswerte wahrgenommen werden können.
Weiterhin kann durch eine geeignete Gestaltung des Sequenzers SEQ1 problemlos eine Zoomdarstellung realisiert werden, indem einfach die Adressgenerierung geeignet skaliert wird, z. B. durch Wiederholen oder Überspringen von Adressen.
Die Erfindung kommt vorzugsweise in einem Echtzeit-Spektrumanalysator zum Einsatz, um sowohl ein Zeit-Frequenz-Diagramm als Wasserfall-Diagramm wie auch ein Echtzeit-Spektrum als Histogramm darstellen zu können. Hierbei kommt es darauf an, die zu den einzelnen Frequenzen im Spektrum gehörenden Amplituden jeweils zum gleichen Zeitpunkt zu analysieren, dies wird zumeist mittels einer gefensterten Fouriertransformation vorgenommen. Um hier eine besonders hohe und der latenzzeitarmen Darstellung angemessene Qualität zu erreichen, wird gemäß Unteranspruch stattdessen die Nutzung einer Polyphasen-Filterbank vorgeschlagen, welche eine höhere Trennschärfe der Filter erlaubt. Zur Füllung der entstehenden Lücken im Spektrum bietet sich die Überlagerung der Ergebnisse mehrerer parallel angewendeter Polyphasen-Filterbänke gemäß dem Patent DE 10 2007 036 828B4 desselben Erfinders an.
Um einen mobilen Echtzeit-Spektrumanalysator mit einer vertretbaren Leistungsaufnahme zu konstruieren, wird vorzugsweise gemäß Unteranspruch sowohl die Vorverarbeitung der Messwerte, insbesondere FIR- oder IIR-Filterung, eine eventuelle Spiegelfrequenzelemination, siehe hierzu DE 19530812C2 , die darauf folgende spektrale Transformation mittels Polyphasen-Filterbänken oder FFT (schneller Fouriertransforamtion) oder Wavelet-Transformation, die Kalibrierung, die Berechnung der Amplitude oder Leistung beispielsweise mittels CORDIC-Algorithmus, eine eventuell notwendige Logarithmierung und Skalierung und nachfolgend im Signalpfad der erfindungsgemäße Grafikcontroller auf einem einzigen monolithischen integrierten Schaltkreis oder FPGA – Field Programmable Gate Array – realisert. Dabei können einzelne Verarbeitungstufen sowohl als Pipeline wie auch in Prozessorform oder gemischt aufgebaut sein.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die flüssige Darstellung von Messwerten mit kurzer Latenzzeit auf einem mobilen Messgerät bei geringer Leistungsaufnahme, sie stellt somit einen erheblichen Fortschritt gegenüber der bisher zur Verwendung kommenden Lösung mit einem Universalprozessor dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6356497 B1 [0003]
US 7889198 B2 [0003]
DE 102007036828 B4 [0026]
DE 19530812 C2 [0027]

Claims

Grafikcontroller für ein Messgerät, bestehend aus – mindestens einem Videospeicher für die Grafikdarstellung, – mindestens einer Auslesesteuerung, welche aus dem Videospeicher das darzustellende Videosignal erzeugt, – mindestens einer Messdatenspeichersteuerung, welche einen Strom von Messdaten – welche auch statistische Häufigkeitswerte sein können – empfängt und an den richtigen Positionen im Videospeicher ablegt oder bei Häufigkeitswerten die dort vorhandenen Werte modifiziert, – mindestens einer Farbwert-Übersetzungseinheit – Color Lookup Table –, welche Datenwerten im Videospeicher Farbwerte im erzeugten Videosignal zuordnet, das dann auf einem Farbdisplay – bevorzugt TFT LCD – dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messdatenspeicherung die Messwerte oder Häufigkeitswerte unmittelbar in dafür reservierten Speicherzellen des Videospeichers speichert und – die Auslesesteuerung eine besonders schnelle Darstellung der Messdaten in einem Fenster dadurch ermöglicht, dass sie die direkt im Videospeicher abgelegten Mess- oder Häufigkeitswerte aus den dafür vorgesehenen Speicherzellen entnimmt und für diese Werte in der Farbwert-Übersetzungseinheit mindestens eine andere Messwert-zu-Farbwert Umsetzung als für die übrigen – nicht direkt aus Messwerten resultierenden – Grafikdarstellungen auswählt, welche einer an die darzustellenden Wertebereiche der darzustellenden Werte angepassten farblichen Graduierung entspricht.
Grafikcontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten in einem Speicher oder einer Speicherbank – bevorzugt DRAM Speicherbank – und die übrige Bildschirmdarstellung in einem anderen Speicher oder einer anderen Speicherbank abgelegt wird, wodurch eine Entkopplung beim Zugriff und somit ein beschleunigter Zugriff ermöglicht wird.
Grafikcontroller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslesesteuerung eine Zustandsmaschine ist, welche ein Grafikdarstellungsprogramm aus mindestens einem separaten Steuerprogrammspeicher interpretiert, welches die Lage der Fenster mit Messwertinhalten auf dem Bildschirm beschreibt, wobei die Zustandsmaschine zusätzlich die Adressgenerierung für den Videospeicher einschließlich unterschiedlicher Adressen für unterschiedlicher Speicherbänke mit übernehmen kann, um so eine leichte Verschiebung von Fenstern mit Darstellungen von Messwerten ohne Umschichtung der Messdaten im Videospeicher zu ermöglichen.
Grafikcontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Histogramm auf zwei Achsen, das die Häufigkeit des Auftreten eines Messwerts durch einen Farbcode darstellt, durch eine Read-Modfy-Write Operation auf dem Videospeicher realisiert wird, bei der pro Vorkommen des Messwerts ein konstanter positiver oder negativer Wert zum bereits vorhanden Häufigkeits-Messwert im Videospeicher addiert wird, wobei die darauf angewendete Farbumsetzung für die Messwerte der graduierten Darstellung der Häufigkeit eines Histogramms entspricht, bei der bevorzugt, aber nicht notwendig, schwarz für kein Auftreten eines Messwerts steht, blau geringe und rot hingegen große Häufigkeiten repräsentiert.
Grafikcontroller nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer begrenzten Persistenz und somit eine Darstellung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Messwerts die Häufigkeits-Messwerte kontinuierlich um eine feste Differenz oder einen festen Faktor reduziert werden und wahlweise zusätzlich während der Videoausgabe bis zur Durchführung der Reduzierung diese Reduzierung temporär zwischen Videospeicher und Farbwert-Übersetzungseinheit vorab angewendet oder für einen Videoframe kompensiert wird, wodurch ein Flackern der Darstellung vermieden wird.
Grafikcontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines weiteren Videospeichers oder Speicherbereichs ein Overlay-Bild erzeugt und über die Messwertdarstellung gelegt wird, um ein Raster oder Maßeinheiten in der Darstellung anzubringen.
Grafikcontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte, speziell Leistungs- oder Amplitudenmesswerte, sequentiell in den Videospeicher geschrieben werden, entweder kontinuierlich oder nach einem Trigger, wahlweise zusätzlich durch ein Gate-Signal gefenstert, wobei zusätzlich unterschiedlichen Amplitudenwerten eine farbliche Graduierung entsprechend ihrer Höhe zugeordnet wird, wodurch sich ein Wasserfalldiagramm ergibt.
Grafikcontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein FIFO Buffer bei der Ausgabe Verwendung findet, welcher blockweise die Messwerte aus dem Videospeicher übernimmt und diese synchron zum Videotakt an das Display weiterleitet.
Grafikcontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die darzustellendem Messwerte mindestens einer Polyphasen-Filterbank oder mehreren ineinander geschachtelten Polyphasen-Filterbänken entnommen und geeignet umgerechnet und skaliert werden, wodurch die Transformation aus der Zeitebene in die Frequenzebene vorgenommen wird.
Grafikcontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Vorverarbeitung und bedarfsweise Transformation der Messwerte in die Frequenzebene wie auch die Skalierung und der Grafikcontroller selber auf einem monolithischen integriertem Schaltkreis oder FPGA – Field Programmable Gate Array – realisiert sind.