多通道同步數(shù)據(jù)采集及壓縮系統(tǒng)的設(shè)計方案
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位的幀計數(shù),即數(shù)據(jù)格式為:被采集數(shù)據(jù)+幀標(biāo)志+幀計數(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
4.1 DSP程序設(shè)計流程
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,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 之間的一個小數(shù)對數(shù)據(jù)編碼,原始數(shù)據(jù)越多,這個小數(shù)點后的位數(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,并且為每個表項分配一個碼字(Code word),或稱為序號,這張轉(zhuǎn)換表實際上是把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個不同的12位代碼,這就是說。轉(zhuǎn)換表有4 096個表項,其中256個表項用于存放已定義的字符,剩下的3 840個表項用于存放前綴(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),碼字代表單個字符或多個字符組成的字符串。LZW編碼器采用一種實用的分析(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,否則就把這個綴一符串字符(String)寫到詞典中生成一個新的前綴(Prefix),并給一個代碼。
一般來說,不同的壓縮算法有不同的優(yōu)缺點。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)的特點有關(guān)。
該系統(tǒng)設(shè)計是壓縮實時數(shù)據(jù),要求壓縮過程的時間性能較高,故采用事先統(tǒng)計模型的ARC算法。實驗證明,采用該算法其運算速度與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 實驗結(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)計中前端以27 kHz的速度實時采集某系統(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。實驗中通過上位機(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。最后通過大量實驗,證實本方案切實可行,各項指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。
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