車載數(shù)據(jù)記錄壓縮算法的研究

摘要：提出了緩變系統(tǒng)信息和實時測控數(shù)據(jù)信息分區(qū)存儲的方案，對系統(tǒng)信息采用了定長非壓縮算法，同時對數(shù)據(jù)信息采用了非定長的行間壓縮算法，并將此方案成功地運用在“機車隨車質(zhì)量狀態(tài)故障診斷記錄裝置”中，滿足了裝置利用1024KBYTE的存儲空間，以16位精度每隔5S記錄一次32路實時參數(shù)變化以及大量系統(tǒng)信息，且連續(xù)記錄時間大于50小時的要求。

關鍵詞：壓縮算法 數(shù)據(jù)記錄 車載

前言

隨著大容量存儲技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)記錄和轉(zhuǎn)儲被廣泛應用于機電測控系統(tǒng)、智能儀器儀表等單片機系統(tǒng)之中，通過數(shù)據(jù)記錄可對系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、安全監(jiān)控、事故分析等。在“機車隨車質(zhì)量狀態(tài)故障診斷記錄裝置”的設計中，采用兩片共計1024KBYTE的FLASHRAM 28SF040，對機車運行中的司機號、車號、車次號、起始站、終止站、牽引重量、出退勤時間等緩變信息的記錄，以及機車質(zhì)量狀態(tài)故障監(jiān)測診斷的32路實時數(shù)據(jù)信息以16位精度每5s的實時記錄。為了滿足連續(xù)記錄50小時以上的實際需求，提出了緩變系統(tǒng)信息和實時數(shù)據(jù)信息分區(qū)存儲的方案，對系統(tǒng)信息采用了定長非壓縮算法，對實時數(shù)據(jù)信息采用了非定長的行間壓縮算法。并對數(shù)據(jù)記錄信息進行了長度校核，同時對數(shù)據(jù)進行了CRC校驗。

車載數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容及各參數(shù)記錄頻度分析

機車隨車質(zhì)量狀態(tài)診斷記錄儀需要記錄的運行信息內(nèi)容包括：車號（0～9999）、司機代碼號（0～99999）、車次號（0～99999）、起始站代碼（0～999）、終止站代碼（0～999）、牽引重量（0～9999），共計14BYTE。

實時狀態(tài)參數(shù)包括：年、月、日、時、分、秒，6BYTE，以及柴油機轉(zhuǎn)速、主電流、六個分電流、電壓、軸溫、油水溫度、總管溫度、增壓壓力、進回油（油耗）、馬達轉(zhuǎn)速、火情報警等32路實時參數(shù)，各2BYTE。共計：6BYTE+2×32BYTE=70BYTE。

機車運行信息，其記錄的頻度是非常低的，大約每10小時記錄一次，記錄的條件為：系統(tǒng)上電、司機參數(shù)輸入，即輸入新的車號、司機代碼等。

機車實時狀態(tài)參數(shù)，其記錄的頻度為每5s全部記錄一次。但32路實時參數(shù)中，每次最多只有四分之一，即8個左右的量滿足記錄變化條件，且進回油參數(shù)必須每5S記錄一次。

幾種常用數(shù)據(jù)記錄算法分析

非分區(qū)非壓縮算法

通過以上的分析，如果我們將全部參數(shù)不采用任何壓縮記錄算法，則每5s記錄的數(shù)據(jù)長度將達：6BYTE+14BYTE+64BYTE＝84BYTE。這樣全部1024KBYTE的記錄容量只能記錄：

1024 KBYTE ÷84 BYTE＝1024×1024÷84 ＝12483 次

記錄時間為：

12483×5s=62415s=1040 min = 17 h

分區(qū)非壓縮算法

將系統(tǒng)1024KBYTE的存儲空間分成：0～63頁，每頁16KBYTE的分區(qū)存儲格式。將機車運行信息14BYTE和上電時間或司機輸入?yún)?shù)時間以及其他系統(tǒng)參數(shù)，如報警門限、標定系數(shù)、DS1820/B20傳感器代碼等記錄在系統(tǒng)的0～63頁的0頁，共計16KBYTE的空間，因為系統(tǒng)信息只有在上電、復位和參數(shù)輸入時才需要記錄，所以16KBYTE的系統(tǒng)記錄區(qū)無需任何壓縮算法將足以滿足系統(tǒng)的使用。

系統(tǒng)分區(qū)的0頁區(qū)為系統(tǒng)信息存儲區(qū)，1～63頁區(qū)為數(shù)據(jù)信息存儲區(qū)，如果數(shù)據(jù)記錄不采用壓縮的算法，則每5s需要70BYTE的存儲空間，這樣存儲次數(shù)為：

63 × 16 KBYTE ÷ 70 BYTE ＝14745 次

記錄時間為：

14745 × 5s ＝ 73725 s ＝ 20 小時

分區(qū)壓縮算法

采用和分區(qū)非壓縮算法一樣的分區(qū)方法，即將系統(tǒng)1024KBYTE的空間分區(qū)為0～63頁區(qū)，每頁區(qū)16KBYTE，第0頁區(qū)用于存儲系統(tǒng)信息，第1～63頁區(qū)存儲數(shù)據(jù)信息。

通過分區(qū)非壓縮算法的分析，系統(tǒng)存儲區(qū)的16KBYTE足以滿足需要，關鍵在于數(shù)據(jù)信息的存儲算法，對圖2和圖3的分析，可以分析出如下信息：

①、系統(tǒng)信息的記錄和數(shù)據(jù)信息的記錄均需要記錄時間信息；

②、數(shù)據(jù)信息記錄的時間信息在系統(tǒng)信息不變的情況下，記錄時間間隔固定為5s；

③、數(shù)據(jù)信息記錄參數(shù)在數(shù)據(jù)不變的情況下重復記錄相同的數(shù)值；

通過以上的分析，我們可以取消數(shù)據(jù)信息記錄中的時間信息，取消之后，只需要在記錄系統(tǒng)信息的同時，在系統(tǒng)記錄中記錄下數(shù)據(jù)信息的起始頁區(qū)和起始地址，這樣我們就可以通過系統(tǒng)信息定位數(shù)據(jù)信息的起始記錄位置和時間，以后每條記錄的時間間隔5s。

通過一個32位的標記信息，標記每個數(shù)據(jù)信息的變化與否，如果某一數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化，標記為0，變化則標記為1，同時記錄下變化后的數(shù)值。

如圖5所示，如D0代表柴油機轉(zhuǎn)速，當D0=0時，表示當前記錄中的柴油機轉(zhuǎn)速和上次的相同，此次無需記錄柴油機轉(zhuǎn)速值，D0=1時，表示柴油機轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，則需要記錄一次柴油機轉(zhuǎn)速。

例如：司機號為1234號的司機，2001年2月12日11時54分30秒上車，系統(tǒng)記錄區(qū)中記錄一條系統(tǒng)信息，其中記錄下此時數(shù)據(jù)記錄區(qū)中的起始頁區(qū)號（1BYTE，第1～63個16KBYTE，假設為第30頁）和起始地址（2BYTE，在當前頁區(qū)16KBYTE的地址，假設起始地址為2E5FH）。他出乘時的第一條記錄從第30頁的2E5FH開始必須記錄全部32路參數(shù)的初始值，其32路的標記單位全部為1。5s后，第1號參數(shù)和第5、7號參數(shù)發(fā)生了變化需要記錄，則記錄標記中只有的D1=1、D5=1、D7=1，其它各位為0，隨后依次記錄第1號參數(shù)和第5、7號參數(shù)各2BYTE的數(shù)值。記錄格式如圖6所示。

分區(qū)壓縮算法的解壓縮算法

裝置通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲進入PC機數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)后，根據(jù)分區(qū)壓縮算法，分析系統(tǒng)首先在第0頁中，依次以23BYTE為一條系統(tǒng)記錄，分別讀取各司機出乘時的起始時間，系統(tǒng)信息，以及對應數(shù)據(jù)記錄區(qū)的起始頁區(qū)和起始地址，然后到對應位置讀取第一條數(shù)據(jù)信息，首先讀取2BYTE的FFFFH記錄塊首，然后第1條信息中4BYTE的數(shù)據(jù)變化標記信息判定當前記錄中對應參數(shù)的變化記錄情況，并在標記之后依次讀取對應變化參數(shù)的各2BYTE，接著讀取第1記錄的CRC校驗碼1BYTE。

依照以上的方法，依次讀取數(shù)據(jù)記錄區(qū)的第2條數(shù)據(jù)記錄，沒有變化的參數(shù)值依然等于第1條記錄對應的參數(shù)值。第1條記錄的記錄時間為系統(tǒng)記錄中的時間，第2條記錄的時間＝第1記錄時間＋5s，依次類推分別讀取以下數(shù)據(jù)記錄，并計算出記錄的時間。

數(shù)據(jù)記錄長度校驗

在數(shù)據(jù)記錄中增加了固定的2BYTE的FFFFH，同時在參數(shù)記錄中限定記錄的參數(shù)值不大于0FFFFH，這樣當讀取4BYTE參數(shù)變化標記，假定有n個參數(shù)變化記錄，則在4BYTE的參數(shù)變化標記之后應該正好有n個非0FFFFH的參數(shù)值，多于n或小于n都認為此記錄有誤，此記錄的全部參數(shù)和上一條記錄相同，時間＋5s。

數(shù)據(jù)記錄CRC校驗

數(shù)據(jù)壓縮記錄時，從0FFFFH塊首開始到最后一個變化參數(shù)的記錄數(shù)據(jù)采用8BIT的CRC校驗算法。如圖7所示。

CRC=X8+X5+X4+1

結(jié)語

基于分區(qū)壓縮算法，在機車隨車質(zhì)量狀態(tài)診斷記錄裝置中，數(shù)據(jù)記錄區(qū)無需記錄時間，記錄參數(shù)也采用了壓縮記錄的算法，在32個參數(shù)中每5s平均最多只有8個參數(shù)發(fā)生變化需要記錄則記錄，則平均每條數(shù)據(jù)記錄的長度為23BYTE，因此，1～63頁的數(shù)據(jù)記錄可以存儲的記錄條數(shù)為：

63 × 16 KBYTE ÷ 23 BYTE ＝44877 次

連續(xù)記錄時間為：

44877 × 5s ＝ 224385 s ＝ 62 小時

連續(xù)記錄62小時，滿足了裝置連續(xù)記錄50小時的要求，且系統(tǒng)采用了記錄長度校核算法以及較為嚴格的CRC校驗算法，提高了裝置記錄數(shù)據(jù)的可靠性，該裝置已通過鄭州鐵路局技術鑒定，該裝置在一年半的裝車實際運用中，記錄可靠，由于機車每天實際運行時間小于15小時，且每條記錄平均變化數(shù)小于假定的8個，因此，實際記錄時間在6～7天左右。