多通道同步數(shù)據采集及壓縮系統(tǒng)的設計方案

　　3．2 數(shù)據幀格式設置

　　CPLD1將A/D轉換后的數(shù)據不斷寫入FIFO1，當2 048字節(jié)數(shù)據寫入FIFO1后，CPLD添加16位的幀標志及16位的幀計數(shù)，即數(shù)據格式為：被采集數(shù)據+幀標志+幀計數(shù)。

　　3．3 CPLD2控制接口

　　接口轉換模塊的核心是CPLD，負責從輸出FIFO2中讀取數(shù)據，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)據上傳至遙測系統(tǒng)。

　　4 DSP部分設計

　　4．1 DSP程序設計流程

　　設備上電DSP復位后，由其內部固化的自引導程序(BOOT)將存于Flash存儲器的程序和數(shù)據搬移至內部RAM中，然后DSP開始讀取壓縮算法的應用程序，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及相關中斷寄存器，等待中斷。

　　采集模塊16位數(shù)據通過總線不斷寫入。FIFO1中。程序通過控制其半滿(HF)信號，即當數(shù)據超過半滿時，HF信號低電平有效，將觸發(fā)一次中斷通知 DSP，DSP則進入中斷后把2048字節(jié)的數(shù)據從輸入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進行高速壓縮。將壓縮數(shù)據與原數(shù)據相比較，若壓縮數(shù)據小于原數(shù)據，就把壓縮數(shù)據寫入DSP的軟FIFO中，否則，就將原數(shù)據寫入DSP的軟FIFO中。

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

　　4．2 數(shù)據壓縮算法選擇

　　壓縮編碼信源信息在解壓縮時能夠完全恢復，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。實際應用算術編碼更巧妙。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)據編碼，原始數(shù)據越多，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換表完成的。該轉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，這張轉換表實際上是把8位ASCII字符集進行擴充。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也就是當前字符(Currentcharacter)作為該前綴的擴展字符，形成新的擴展字符串——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)據的特點有關。

　　該系統(tǒng)設計是壓縮實時數(shù)據，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 實驗結果

　　算法選擇主要從壓縮速度和壓縮去除率進行比較。該設計中前端以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。實驗中通過上位機發(fā)送一定規(guī)律數(shù)據，經過該系統(tǒng)壓縮數(shù)據處理，壓縮后數(shù)據再通過上位機解包、解壓，還原的數(shù)據與原始數(shù)據相比對。其結果一致，證明系統(tǒng)安全可靠。圖3為上位機解壓報表。

　　6 結束語

　　詳細介紹了系統(tǒng)組成，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)和數(shù)字信號處理器(DSP)的體系結構，對無損壓縮的相關算法進行比較，最終采用算術編碼 (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，各項指標滿足系統(tǒng)要求。