多通道同步數據采集及壓縮系統的設計方案

　　3．2 數據幀格式設置

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

　　3．3 CPLD2控制接口

　　接口轉換模塊的核心是CPLD，負責從輸出FIFO2中讀取數據，按照遙測系統的要求時(shí)序編碼后。通過(guò)RS-422總線(xiàn)將壓縮后的數據上傳至遙測系統。

　　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存儲器的程序和數據搬移至內部RAM中，然后DSP開(kāi)始讀取壓縮算法的應用程序，繼續運行。DSP的工作流程為：首先初始化DSP的CSL函數庫，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位數據通過(guò)總線(xiàn)不斷寫(xiě)入。FIFO1中。程序通過(guò)控制其半滿(mǎn)(HF)信號，即當數據超過(guò)半滿(mǎn)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字節的數據從輸入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(shí)間內進(jìn)行高速壓縮。將壓縮數據與原數據相比較，若壓縮數據小于原數據，就把壓縮數據寫(xiě)入DSP的軟FIFO中，否則，就將原數據寫(xiě)入DSP的軟FIFO中。

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

　　4．2 數據壓縮算法選擇

　　壓縮編碼信源信息在解壓縮時(shí)能夠完全恢復，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按第二字母排序，以此類(lèi)推。實(shí)際應用算術(shù)編碼更巧妙。利用字符出現的概率對0～1區間分割，然后用0～1 之間的一個(gè)小數對數據編碼，原始數據越多，這個(gè)小數點(diǎn)后的位數就越多。

　　LZW編碼是圍繞稱(chēng)為詞典的轉換表完成的。該轉換表用來(lái)存放稱(chēng)為前綴(Prefix)的字符序列，并且為每個(gè)表項分配一個(gè)碼字(Code word)，或稱(chēng)為序號，這張轉換表實(shí)際上是把8位ASCII字符集進(jìn)行擴充。增加的符號用來(lái)表示在文本或圖像中出現的可變長(cháng)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(gè)不同的12位代碼，這就是說(shuō)。轉換表有4 096個(gè)表項，其中256個(gè)表項用于存放已定義的字符，剩下的3 840個(gè)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(guò)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(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，從中分解出已識別的最長(cháng)字符串，也就是已在詞典中出現的最長(cháng)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(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)。不同算法的復雜性對空間的要求以及壓縮率也不同。這不僅依賴(lài)于壓縮方法，也與被壓縮數據的特點(diǎn)有關(guān)。

　　該系統設計是壓縮實(shí)時(shí)數據，要求壓縮過(guò)程的時(shí)間性能較高，故采用事先統計模型的ARC算法。實(shí)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(shí)驗結果

　　算法選擇主要從壓縮速度和壓縮去除率進(jìn)行比較。該設計中前端以27 kHz的速度實(shí)時(shí)采集某系統多路噪聲壓縮，從表1中可知ARC算法針對不同分組段的數據壓縮去除率約為79％，而LZW算法，在該分組段壓縮去除率僅約 31％，可見(jiàn)ARC壓縮算法的壓縮去除率比較高。實(shí)驗中通過(guò)上位機發(fā)送一定規律數據，經(jīng)過(guò)該系統壓縮數據處理，壓縮后數據再通過(guò)上位機解包、解壓，還原的數據與原始數據相比對。其結果一致，證明系統安全可靠。圖3為上位機解壓報表。

　　6 結束語(yǔ)

　　詳細介紹了系統組成，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)和數字信號處理器(DSP)的體系結構，對無(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)作為系統壓縮算法。本系統創(chuàng )新點(diǎn)在于采集模塊的多通道同步性以及對噪聲數據壓縮的針對性。最后通過(guò)大量實(shí)驗，證實(shí)本方案切實(shí)可行，各項指標滿(mǎn)足系統要求。