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(xiě)入FIFO1，當(dāng)2 048字節(jié)數(shù)據(jù)寫(xiě)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(cè)系統(tǒng)的要求時(shí)序編碼后。通過(guò)RS-422總線將壓縮后的數(shù)據(jù)上傳至遙測(cè)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(chǔ)器的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部RAM中，然后DSP開(kāi)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(kù)，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(guò)總線不斷寫(xiě)入。FIFO1中。程序通過(guò)控制其半滿(mǎn)(HF)信號(hào)，即當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)半滿(mǎn)時(shí)，HF信號(hào)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(xiě)入DSP的軟FIFO中，否則，就將原數(shù)據(jù)寫(xiě)入DSP的軟FIFO中。

　　最終，DSP把軟FIFO中得壓縮數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出FIFO2中，等待發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)上傳至遙測(cè)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(guò)程中信源信息無(wú)損失，該編碼方法稱(chēng)為無(wú)損壓縮，經(jīng)常使用的無(wú)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(lèi)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(duì)0～1區(qū)間分割，然后用0～1 之間的一個(gè)小數(shù)對(duì)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(chēng)為詞典的轉(zhuǎn)換表完成的。該轉(zhuǎn)換表用來(lái)存放稱(chēng)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(chēng)為序號(hào)，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(hào)用來(lái)表示在文本或圖像中出現(xiàn)的可變長(zhǎng)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(shuō)。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(guò)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(chēng)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(lái)自字符流(Charstream)的字符串，從中分解出已識(shí)別的最長(zhǎng)字符串，也就是已在詞典中出現(xiàn)的最長(zhǎng)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(xiě)到詞典中生成一個(gè)新的前綴(Prefix)，并給一個(gè)代碼。

　　一般來(lái)說(shuō)，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(duì)空間的要求以及壓縮率也不同。這不僅依賴(lài)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(guò)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(duì)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(jiàn)ARC壓縮算法的壓縮去除率比較高。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)上位機(jī)發(fā)送一定規(guī)律數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)壓縮數(shù)據(jù)處理，壓縮后數(shù)據(jù)再通過(guò)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(duì)。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(yǔ)

　　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(hào)處理器(DSP)的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)無(wú)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(duì)噪聲數(shù)據(jù)壓縮的針對(duì)性。最后通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，證實(shí)本方案切實(shí)可行，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。