CN101634677B - 一种基于uvc传输协议的数字仪器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于UVC传输协议的USB数字仪器，其包括依次电性连接的测试模块、转换接口模块及显示模块。其中，所述转换接口模块至少包括测试数据处理模块、测试数据存储模块、USB UVC控制模块及USB UVC传输模块。本发明使用USB接口可以省略数字仪器的显示部分而直接利用电脑或掌上电脑显示，成本低、体积小、应用方便。
Description
技术领域
本发明属于电变量等信号检测仪器，具体涉及一种利用电脑或掌上电脑作为显示器的基于UVC传输协议的数字仪器，该仪器可用于电路中各类电变量的测量。
背景技术
随着数字电子技术的发展，利用数字技术的测量仪器蓬勃发展。在数字仪器中，有一类仪器以个人计算机(PC)为基础，在PC上添加探测头和处理电路等附件组成。它们将被测量的信号利用PC机的接口，如PCI、USB、打印口、串口等等输入到PC机中，然后利用PC***进行处理、显示和存储。这类仪器被称作基于PC的数字仪器。PC接口中应用最广泛的是USB，因此许多仪器以PC的USB口作为传输接口。本发明的技术领域针对的是这一类数字仪器。
目前数字仪器的各个厂商生产的USB数字仪器均使用自行开发的USB传输协议，这是因为数字仪器本身采集到的数据都不是可视化的，并不产生视频数据。如逻辑分析仪产生测量输入信号的逻辑值，而数字示波器定时检测输入信号的电平。与电脑相连时，通常各厂商会制订自有的USB传输协议，将数据通过USB传输到电脑端后，再利用特定的应用程序处理后显示出来。在使用这类数字仪器时需要安装复杂的软件和驱动，进行培训。
UVC标准由USB实现论坛(USB Implementer’s Forum)中的USB设备工作组(USBDevice Working Group)制订，它定义了视频图像的传输标准，包括数据传输的类型、格式以及控制命令等规范，使得遵循UVC协议的设备可以和电脑进行标准化的视频数据的传输[1]。
UVC标准所针对的对象是发送或接收视频的USB设备，它支持多种视频数据格式，如：
a.Uncompressed(YUY2，NV12)
b.MJPEG
c.MPEG1-SS，MPEG2-TS，MPEG2-PS，MPEG4-SL
d.DV
符合UVC标准的USB视频设备由若干个可寻址的终端(Terminal)和单元(Unit)构成。终端是视频流的发出点或接收点，如：
a.CCD或CMOS传感器，TV，USB端点，等等
单元是视频数据路由或被处理的部分，如：
b.用于压缩或解压缩的DSP，控制模块，等等
UVC标准已经在消费电子中得到广泛的应用，如UVC标准的USB摄像头、电视盒，等等。
综上所述，实有必要设计一种新的采用UVC接口的数字仪器及其使用方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于UVC传输协议的USB数字仪器，使用UVC协议通过USB传输转换后的视频流，替代了各仪器厂商自行制订的USB传输协议。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于UVC传输协议的USB数字仪器，其包括依次电性连接的测试模块、转换接口模块及显示模块，其特征在于：所述转换接口模块至少包括
测试数据处理模块，用于对测量结果进行模数转换及格式化；
测试数据存储模块，用于暂存测量结果；
USB UVC控制模块，用于构建符合UVC传输协议的USB数字仪器；
USB UVC传输模块，用于控制测试数据转化为UVC视频数据并输出。
作为本发明的优选方案之一，所述USB UVC传输模块包括依次连接的数字视频转换模块、SRAM帧数据存储模块及USB UVC设备控制器。
另外，本发明还提供一种采用UVC接口的数字仪器的使用方法，该使用方法包括以下步骤：
步骤一，利用测试模块获取测试数据；
步骤二，利用转换接口模块将测试部分的数据转化为符合UVC格式的数字图像，并按照USB UVC格式传输到显示模块。
步骤三，利用显示模块显示测试出的结果；
作为本发明的优选方案之一，所述步骤二包括以下步骤：
A.利用数字视频转换模块将从测试模块采集到的测量数据转换为视频数据；
B.将上述视频数据存储在SRAM帧数据存储模块中；
C.利用USB UVC设备控制器按照UVC的标准格式化SRAM帧数据存储模块中的数据，从USB端口发送出去。
作为本发明的优选方案之一，所述A步骤中例化出的测量点信息。
作为本发明的优选方案之一，所述A步骤中例化出的网格信息。
作为本发明的优选方案之一，所述A步骤中例化出的文字信息。
作为本发明的优选方案之一，所述B步骤包括测量点信息附加在所述视频数据上一同被存储。
作为本发明的优选方案之一，所述B步骤包括网格信息附加在所述视频数据上一同被存储。
作为本发明的优选方案之一，所述B步骤包括文字信息附加在所述视频数据上一同被存储。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
与普通的非USB数字仪器相比，由于电脑普及度高，使用USB接口可以省略数字仪器的显示部分而直接利用电脑或掌上电脑显示，成本低，体积小，应用方便。
与普通的USB数字仪器比：
1)免驱动，兼容性好。MICROSOFT WINDOWS XP SP2以及VISTA以上操作***中均支持UVC协议，未来在LINUX、MAC以及掌上电脑***中都将支持UVC。只要是支持UVC的电脑都可以直接作为该发明的显示器使用。
2)UVC的性能出众。UVC可以以30帧/秒的速度传递VGA大小的活动图像，可以支持各种图像格式，支持音频的扩展，支持第三方的扩展功能。
3)由于UVC标准是由USB组织制订并公开，而且该标准已经在大量的基于UVC的消费电子(如摄像头，电视盒)中得到验证，所以本发明的可靠性和兼容性比其他厂商的专有传输协议更好。
附图说明
图1是本发明的一个实施例示意图，其中，测试结果通过笔记本电脑显示；
图2是本发明的另一个实施例示意图，其中，测试结果通过掌上电脑显示；
图3是本发明***结构框图；
图4是本发明转换接口模块示意图；
图5数字仪器数据转换成硬件虚拟内部图像示意图；
图6是在电脑上察看测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述：
本发明将UVC标准实施在基于电脑的数字仪器上，如示波器、逻辑分析仪、数字万用表等。这种采用UVC接口的数字仪器由三部分构成：
测试模块1，包括测试探头及相关的模块，用于获取测试数据。
转换接口模块2，用于将测试部分的数据转化为符合UVC格式的数字图像，并按照USBUVC格式传输到电脑或掌上电脑。
显示部分3，电脑或掌上电脑。利用电脑或掌上电脑显示测试出的结果。
其中转换接口模块2工作流程由以下步骤构成：
(1)数字视频数据转换。从数字仪器前端采集到的数据用硬件转换为内部图像。
A.首先，按照PC设定UVC接口输出的图像尺寸定义出同样大小的内部虚拟图像宽高参数；
B.UVC图像输出的扫描顺序是从左上坐标开始，按照第一行左侧第一个点到右侧最后一个点，然后第二行重复...到最后一行的顺序进行扫描。按照该规则构造两个循环：第一个循环用于内部一行中点从左到右进行循环，第二个循环嵌套在第一个循环之上，用于纵向第一行到最后一行的循环。两个循环的循环频率与UVC设定的行刷新速度和列刷新速度保持一致。
C.判断上述两重循环点的位置属性，其中内层循环点对应X轴坐标，外层循环对应Y轴坐标：
a.如果是网格位置，输出网格的颜色；
b.如果是文字/刻度位置，输出文字/刻度的颜色；
如果是测试部分1得到数据对应的位置，输出测量点的颜色；
c.上述条件都不符合，输出背景颜色。
D.当最外层循环结束后，一帧图像的视频数据输出完毕，两层循环归0，按照UVC设定的帧速率开始下次循环。
(2)SRAM帧数据存储模块。将(1)生成的图像流存储在SRAM帧数据存储模块中。在存储中，从步骤(1)循环中例化出的测量点、网格、文字等信息，可以被一一存储。
(3)USBUVC设备控制器。用于按照UVC的标准格式化SRAM帧数据存储模块中的数据。UVC标准要求每帧图像在传输时附加包含图像生成时间，速率，帧信息的帧头。按照该要求将各个参数综合成帧头，添加在图像开始位置，与图像一起从USB端口发送出去。在PC或PDA上，步骤(1)中生成的图像在电脑或掌上电脑的***软件中显示出来，供用户察看。利用UVC协议对应的***功能，用户可以将单幅图像或连续的录像存储在计算机上，进一步分析处理这些数据。
本发明中UVC传输的是硬件在内部模拟视频扫描而产生的虚拟图像，而不再是真实的视频流，突破了原有的UVC传输协议的应用范畴。
按照上述流程，数字仪器所采集的非可视化数据变成符合UVC标准的视频数据，并按照UVC协议在电脑上直观显示，达到了本发明的目的。
具体的，结合图3和图4就如何实现测试数据的传输、存储和显示作进一步的说明。
下面介绍整个***的工作流程。
如图3和图4所示，首先从测试端获取分析用的采样数据。为了配合视频的工作速度，在一帧图像的单位时间内进行采样，采集到的数据按采样时间先后顺序送进测试数据存储模块，供后继的USB UVC处理模块进行采样-视频数据转换。
这里以数字示波器为例。假定从数字仪器前端采集到的数据为：
d(1)＝0.841，d(2)＝0.909，d(3)＝0.141，d(4)＝-0.756，d(5)＝-0.958，d(6)＝-0.279......
括号中的下标表示采样数据的顺序。数值为A/D量化的数据。数据量和精度由数字仪器的设定决定。
在USB UVC转换模块中，保存着UVC虚拟图像的参数，以及数字示波器的当前设定，如X轴单位精度与显示范围，Y轴单位精度与显示范围等。
按照X轴的单位精度与显示范围，按显示范围选取并按精度从测试数据存储模块抽取出需要的数据块。当显示精度与存储精度不一致时，做合适的逼近或抽样算法使得最终送进USBUVC转换模块的精度一致。然后将数据按照X轴，Y轴单位精度转化为象素坐标。
在USB UVC模块中，构造两个循环分别用于虚拟图像的行扫描和列扫描。其中行扫描嵌套在列扫描内。行扫描是当前行从左至右开始，列扫描是每帧的第一行开始到最后一行结束。
扫描的当前点对下列信息进行匹配检查：
a.是否是坐标轴网格点；
b.是否是数字、字母等文字标识点；
c.是否存在检测数据与之匹配。
例如上述d(1)＝0.841，假设X轴精度为1∶1，起点是0，Y轴精度为1∶100，经过转化后为虚拟图像中坐标点(Y＝84，X＝1)点。当行列扫描到点(Y＝84，X＝1)时，检测到该点为检测数据匹配点。
遇到上述各个条件成立时，将对应点例化为相应设定的颜色值。不符合任何条件的，例化为背景色。用硬件转换为内部图像后如图5所示。
这些象素按照UVC标准的要求转化为UVC支持的象素格式，输出到UVC帧存储器中进行存储。上述过程中例化出的网格、文字等信息与检测数据构成一幅完整的图像被存储。例如，将图5所示图像存储在视频缓冲中。
***同时根据当前参数和运行状态生成UVC格式的帧头。UVC帧头包含数据量，生成时间，***时间等信息。将该帧头附加在帧数据的前端，构成了完整的符合UVC格式的帧数据包。当USB UVC控制部分接收电脑端发来的命令，就按照USB UVC的标准将数据从USB总线传输到电脑，进行显示。因为无需驱动，所以可以直接在Windows的“我的电脑”中察看结果，如示意图6所示。
如同USB键盘、USB鼠标一样，USB组织定义了UVC设备的描述符和控制方法，如果要使用UVC视频格式进行传输，USB设备必须符合该定义。
符合UVC协议的USB设备至少由2个端点(EP)构成。其中EP0实现了控制端点，EP1实现了数据传输。
在EP0中实现了：
1)USB枚举控制。
2)基本的USB描述符，如device descriptor。
3)UVC描述符。
4)UVC的控制。
在EP1中实现了视频数据向主机的传输。
在UVC的描述符中定义了UVC的基本组件。其中包括：
1)ENDPOINT的描述。
2)Output Terminal描述。Output Terminal被映射到输出视频流上。
3)Video Streaming描述。格式，大小，速率等定义。
当该USB设备被连接到USB主机上，主机***枚举该设备，设备将符合UVC协议的描述符传输到主机端。主机端启动相应的UVC***驱动，初始化各个UVC参数。这些UVC参数被映射为相应的视频流控制参数。
当主机端启动包含UVC视频窗口的程序，如“我的电脑”，主机端启动EP1开始传输视频流。USB设备接收到指令后启动视频传输模块，开始工作。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于UVC传输协议的USB数字仪器，其包括依次电性连接的测试模块、转换接口模块及显示模块，其特征在于：所述转换接口模块至少包括
测试数据处理模块，用于对测试数据进行模数转换及格式化；
测试数据存储模块，用于暂存该测试数据；
USB UVC控制模块，用于构建符合UVC传输协议的USB数字仪器；
USB UVC传输模块，用于控制测试数据转化为UVC视频数据并输出；所述USB UVC传输模块包括依次连接的数字视频转换模块、SRAM帧数据存储模块及USB UVC设备控制器；
所述USB UVC设备控制器用于按照UVC的标准格式化SRAM帧数据存储模块中的数据。
2.一种如权利要求1所述的数字仪器的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
步骤一，利用测试模块获取测试数据；
步骤二，利用转换接口模块将测试数据转化为符合UVC格式的数字图像，并按照USBUVC格式传输到显示模块；
步骤三，利用显示模块显示测试出的结果。
3.一种如权利要求2所述的使用方法，其特征在于：所述步骤二包括以下步骤：
A.利用数字视频转换模块将从测试模块采集到的测试数据转换为视频数据；
B.将上述视频数据存储在SRAM帧数据存储模块中；
C.利用USB UVC设备控制器按照UVC的标准格式化SRAM帧数据存储模块中的数据，从USB端口发送出去。
4.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于：所述A步骤中实例化出测量点信息。
5.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于：所述A步骤中实例化出网格信息。
6.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于：所述A步骤中实例化出文字信息。
7.如权利要求4所述的使用方法，其特征在于：所述B步骤包括测量点信息附加在所述视频数据上一同被存储。
8.如权利要求5所述的使用方法，其特征在于：所述B步骤包括网格信息附加在所述视频数据上一同被存储。
9.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述B步骤包括文字信息附加在所述视频数据上一同被存储。
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