多通道同步數(shù)據(jù)采集及壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　3．2 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)置

　　CPLD1將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)不斷寫入FIFO1，當(dāng)2 048字節(jié)數(shù)據(jù)寫入FIFO1后，CPLD添加16位的幀標(biāo)志及16位的幀計(jì)數(shù)，即數(shù)據(jù)格式為：被采集數(shù)據(jù)+幀標(biāo)志+幀計(jì)數(shù)。

　　3．3 CPLD2控制接口

　　接口轉(zhuǎn)換模塊的核心是CPLD，負(fù)責(zé)從輸出FIFO2中讀取數(shù)據(jù)，按照遙測系統(tǒng)的要求時(shí)序編碼后。通過RS-422總線將壓縮后的數(shù)據(jù)上傳至遙測系統(tǒng)。

　　4 DSP部分設(shè)計(jì)

　　4．1 DSP程序設(shè)計(jì)流程

　　設(shè)備上電DSP復(fù)位后，由其內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序(BOOT)將存于Flash存儲器的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部RAM中，然后DSP開始讀取壓縮算法的應(yīng)用程序，繼續(xù)運(yùn)行。DSP的工作流程為：首先初始化DSP的CSL函數(shù)庫，然后初始化PLL、GPIO及相關(guān)中斷寄存器，等待中斷。

　　采集模塊16位數(shù)據(jù)通過總線不斷寫入。FIFO1中。程序通過控制其半滿(HF)信號，即當(dāng)數(shù)據(jù)超過半滿時(shí)，HF信號低電平有效，將觸發(fā)一次中斷通知 DSP，DSP則進(jìn)入中斷后把2048字節(jié)的數(shù)據(jù)從輸入FIFO1中讀入到DSP所指向的SDRAM的空間中，DSP在處理完中斷的空閑時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高速壓縮。將壓縮數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)相比較，若壓縮數(shù)據(jù)小于原數(shù)據(jù)，就把壓縮數(shù)據(jù)寫入DSP的軟FIFO中，否則，就將原數(shù)據(jù)寫入DSP的軟FIFO中。

　　最終，DSP把軟FIFO中得壓縮數(shù)據(jù)寫入輸出FIFO2中，等待發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)上傳至遙測系統(tǒng)。

　　4．2 數(shù)據(jù)壓縮算法選擇

　　壓縮編碼信源信息在解壓縮時(shí)能夠完全恢復(fù)，也即在壓縮和解壓縮過程中信源信息無損失，該編碼方法稱為無損壓縮，經(jīng)常使用的無損壓縮方法有Shannon-Fano編碼，Huffman編碼，游程(Run-length)編碼，IZW (Lempel-Ziv-Welch)編碼和算術(shù)編碼(ARC)等。這里重點(diǎn)討論ARC算法和LZW算法。ARC算法的思想就像查字典。眾所周知．英文詞典的編排方式是按首字母排序，首字母相同的詞繼續(xù)按第二字母排序，以此類推。實(shí)際應(yīng)用算術(shù)編碼更巧妙。利用字符出現(xiàn)的概率對0～1區(qū)間分割，然后用0～1 之間的一個(gè)小數(shù)對數(shù)據(jù)編碼，原始數(shù)據(jù)越多，這個(gè)小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)就越多。

　　LZW編碼是圍繞稱為詞典的轉(zhuǎn)換表完成的。該轉(zhuǎn)換表用來存放稱為前綴(Prefix)的字符序列，并且為每個(gè)表項(xiàng)分配一個(gè)碼字(Code word)，或稱為序號，這張轉(zhuǎn)換表實(shí)際上是把8位ASCII字符集進(jìn)行擴(kuò)充。增加的符號用來表示在文本或圖像中出現(xiàn)的可變長度ASCII字符串。擴(kuò)充后的代碼可用9～12位甚至更多的位表示。12位有4 096個(gè)不同的12位代碼，這就是說。轉(zhuǎn)換表有4 096個(gè)表項(xiàng)，其中256個(gè)表項(xiàng)用于存放已定義的字符，剩下的3 840個(gè)表項(xiàng)用于存放前綴(Prefix)。LZW編碼器(軟件編碼器或硬件編碼器)通過管理該詞典完成輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)換。LZW編碼器的輸入是字符流(Charstream)，字符流是用8位ASCII字符組成的字符串，輸出是用n位(例如12位)表示的碼字流(Codestream)，碼字代表單個(gè)字符或多個(gè)字符組成的字符串。LZW編碼器采用一種實(shí)用的分析(parsing)算法，稱為貪婪分析算法(greedy parsingalgorithm)。

　　在貪婪分析算法中，每一次分析都要串行檢查來自字符流(Charstream)的字符串，從中分解出已識別的最長字符串，也就是已在詞典中出現(xiàn)的最長的前綴(Prefix)。用已知的前綴(Prefix)加上下一個(gè)輸入字符C也就是當(dāng)前字符(Currentcharacter)作為該前綴的擴(kuò)展字符，形成新的擴(kuò)展字符串——綴一符串(Sning)：Prefix．C。這個(gè)新的綴一符串(String)是否要加到詞典中，還要看詞典中是否存有和它相同的綴一符串(String)。

　　如果有，那么這個(gè)綴一符串(String)就變成前綴(Prefix)，繼續(xù)輸入新的字符，否則就把這個(gè)綴一符串字符(String)寫到詞典中生成一個(gè)新的前綴(Prefix)，并給一個(gè)代碼。

　　一般來說，不同的壓縮算法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。不同算法的復(fù)雜性對空間的要求以及壓縮率也不同。這不僅依賴于壓縮方法，也與被壓縮數(shù)據(jù)的特點(diǎn)有關(guān)。

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是壓縮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，要求壓縮過程的時(shí)間性能較高，故采用事先統(tǒng)計(jì)模型的ARC算法。實(shí)驗(yàn)證明，采用該算法其運(yùn)算速度與LZW算法速度相近。而ARC算法在壓縮去除率上優(yōu)于LZW算法。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　算法選擇主要從壓縮速度和壓縮去除率進(jìn)行比較。該設(shè)計(jì)中前端以27 kHz的速度實(shí)時(shí)采集某系統(tǒng)多路噪聲壓縮，從表1中可知ARC算法針對不同分組段的數(shù)據(jù)壓縮去除率約為79％，而LZW算法，在該分組段壓縮去除率僅約 31％，可見ARC壓縮算法的壓縮去除率比較高。實(shí)驗(yàn)中通過上位機(jī)發(fā)送一定規(guī)律數(shù)據(jù)，經(jīng)過該系統(tǒng)壓縮數(shù)據(jù)處理，壓縮后數(shù)據(jù)再通過上位機(jī)解包、解壓，還原的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比對。其結(jié)果一致，證明系統(tǒng)安全可靠。圖3為上位機(jī)解壓報(bào)表。

　　6 結(jié)束語

　　詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成，采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和數(shù)字信號處理器(DSP)的體系結(jié)構(gòu)，對無損壓縮的相關(guān)算法進(jìn)行比較，最終采用算術(shù)編碼 (ARC)作為系統(tǒng)壓縮算法。本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于采集模塊的多通道同步性以及對噪聲數(shù)據(jù)壓縮的針對性。最后通過大量實(shí)驗(yàn)，證實(shí)本方案切實(shí)可行，各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。