車(chē)載數據記錄壓縮算法的研究

摘要：提出了緩變系統信息和實(shí)時(shí)測控數據信息分區存儲的方案，對系統信息采用了定長(cháng)非壓縮算法，同時(shí)對數據信息采用了非定長(cháng)的行間壓縮算法，并將此方案成功地運用在“機車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)故障診斷記錄裝置”中，滿(mǎn)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(shí)時(shí)參數變化以及大量系統信息，且連續記錄時(shí)間大于50小時(shí)的要求。

關(guān)鍵詞：壓縮算法 數據記錄 車(chē)載

前言

隨著(zhù)大容量存儲技術(shù)的發(fā)展，數據記錄和轉儲被廣泛應用于機電測控系統、智能儀器儀表等單片機系統之中，通過(guò)數據記錄可對系統進(jìn)行狀態(tài)監測、故障診斷、安全監控、事故分析等。在“機車(chē)隨車(chē)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(chē)運行中的司機號、車(chē)號、車(chē)次號、起始站、終止站、牽引重量、出退勤時(shí)間等緩變信息的記錄，以及機車(chē)質(zhì)量狀態(tài)故障監測診斷的32路實(shí)時(shí)數據信息以16位精度每5s的實(shí)時(shí)記錄。為了滿(mǎn)足連續記錄50小時(shí)以上的實(shí)際需求，提出了緩變系統信息和實(shí)時(shí)數據信息分區存儲的方案，對系統信息采用了定長(cháng)非壓縮算法，對實(shí)時(shí)數據信息采用了非定長(cháng)的行間壓縮算法。并對數據記錄信息進(jìn)行了長(cháng)度校核，同時(shí)對數據進(jìn)行了CRC校驗。

車(chē)載數據記錄內容及各參數記錄頻度分析

機車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷記錄儀需要記錄的運行信息內容包括：車(chē)號（0～9999）、司機代碼號（0～99999）、車(chē)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(shí)時(shí)狀態(tài)參數包括：年、月、日、時(shí)、分、秒，6BYTE，以及柴油機轉速、主電流、六個(gè)分電流、電壓、軸溫、油水溫度、總管溫度、增壓壓力、進(jìn)回油（油耗）、馬達轉速、火情報警等32路實(shí)時(shí)參數，各2BYTE。共計：6BYTE+2×32BYTE=70BYTE。

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

機車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數，其記錄的頻度為每5s全部記錄一次。但32路實(shí)時(shí)參數中，每次最多只有四分之一，即8個(gè)左右的量滿(mǎn)足記錄變化條件，且進(jìn)回油參數必須每5S記錄一次。

幾種常用數據記錄算法分析

非分區非壓縮算法

通過(guò)以上的分析，如果我們將全部參數不采用任何壓縮記錄算法，則每5s記錄的數據長(cháng)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(shí)間為：

12483×5s=62415s=1040 min = 17 h

分區非壓縮算法

將系統1024KBYTE的存儲空間分成：0～63頁(yè)，每頁(yè)16KBYTE的分區存儲格式。將機車(chē)運行信息14BYTE和上電時(shí)間或司機輸入參數時(shí)間以及其他系統參數，如報警門(mén)限、標定系數、DS1820/B20傳感器代碼等記錄在系統的0～63頁(yè)的0頁(yè)，共計16KBYTE的空間，因為系統信息只有在上電、復位和參數輸入時(shí)才需要記錄，所以16KBYTE的系統記錄區無(wú)需任何壓縮算法將足以滿(mǎn)足系統的使用。

系統分區的0頁(yè)區為系統信息存儲區，1～63頁(yè)區為數據信息存儲區，如果數據記錄不采用壓縮的算法，則每5s需要70BYTE的存儲空間，這樣存儲次數為：

63 × 16 KBYTE ÷ 70 BYTE ＝14745 次

記錄時(shí)間為：

14745 × 5s ＝ 73725 s ＝ 20 小時(shí)

分區壓縮算法

采用和分區非壓縮算法一樣的分區方法，即將系統1024KBYTE的空間分區為0～63頁(yè)區，每頁(yè)區16KBYTE，第0頁(yè)區用于存儲系統信息，第1～63頁(yè)區存儲數據信息。

通過(guò)分區非壓縮算法的分析，系統存儲區的16KBYTE足以滿(mǎn)足需要，關(guān)鍵在于數據信息的存儲算法，對圖2和圖3的分析，可以分析出如下信息：

①、系統信息的記錄和數據信息的記錄均需要記錄時(shí)間信息；

②、數據信息記錄的時(shí)間信息在系統信息不變的情況下，記錄時(shí)間間隔固定為5s；

③、數據信息記錄參數在數據不變的情況下重復記錄相同的數值；

通過(guò)以上的分析，我們可以取消數據信息記錄中的時(shí)間信息，取消之后，只需要在記錄系統信息的同時(shí)，在系統記錄中記錄下數據信息的起始頁(yè)區和起始地址，這樣我們就可以通過(guò)系統信息定位數據信息的起始記錄位置和時(shí)間，以后每條記錄的時(shí)間間隔5s。

通過(guò)一個(gè)32位的標記信息，標記每個(gè)數據信息的變化與否，如果某一數據沒(méi)有發(fā)生變化，標記為0，變化則標記為1，同時(shí)記錄下變化后的數值。

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

例如：司機號為1234號的司機，2001年2月12日11時(shí)54分30秒上車(chē)，系統記錄區中記錄一條系統信息，其中記錄下此時(shí)數據記錄區中的起始頁(yè)區號（1BYTE，第1～63個(gè)16KBYTE，假設為第30頁(yè)）和起始地址（2BYTE，在當前頁(yè)區16KBYTE的地址，假設起始地址為2E5FH）。他出乘時(shí)的第一條記錄從第30頁(yè)的2E5FH開(kāi)始必須記錄全部32路參數的初始值，其32路的標記單位全部為1。5s后，第1號參數和第5、7號參數發(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號參數和第5、7號參數各2BYTE的數值。記錄格式如圖6所示。

分區壓縮算法的解壓縮算法

裝置通過(guò)數據轉儲進(jìn)入PC機數據分析處理系統后，根據分區壓縮算法，分析系統首先在第0頁(yè)中，依次以23BYTE為一條系統記錄，分別讀取各司機出乘時(shí)的起始時(shí)間，系統信息，以及對應數據記錄區的起始頁(yè)區和起始地址，然后到對應位置讀取第一條數據信息，首先讀取2BYTE的FFFFH記錄塊首，然后第1條信息中4BYTE的數據變化標記信息判定當前記錄中對應參數的變化記錄情況，并在標記之后依次讀取對應變化參數的各2BYTE，接著(zhù)讀取第1記錄的CRC校驗碼1BYTE。

依照以上的方法，依次讀取數據記錄區的第2條數據記錄，沒(méi)有變化的參數值依然等于第1條記錄對應的參數值。第1條記錄的記錄時(shí)間為系統記錄中的時(shí)間，第2條記錄的時(shí)間＝第1記錄時(shí)間＋5s，依次類(lèi)推分別讀取以下數據記錄，并計算出記錄的時(shí)間。

數據記錄長(cháng)度校驗

在數據記錄中增加了固定的2BYTE的FFFFH，同時(shí)在參數記錄中限定記錄的參數值不大于0FFFFH，這樣當讀取4BYTE參數變化標記，假定有n個(gè)參數變化記錄，則在4BYTE的參數變化標記之后應該正好有n個(gè)非0FFFFH的參數值，多于n或小于n都認為此記錄有誤，此記錄的全部參數和上一條記錄相同，時(shí)間＋5s。

數據記錄CRC校驗

數據壓縮記錄時(shí)，從0FFFFH塊首開(kāi)始到最后一個(gè)變化參數的記錄數據采用8BIT的CRC校驗算法。如圖7所示。

CRC=X8+X5+X4+1

結語(yǔ)

基于分區壓縮算法，在機車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷記錄裝置中，數據記錄區無(wú)需記錄時(shí)間，記錄參數也采用了壓縮記錄的算法，在32個(gè)參數中每5s平均最多只有8個(gè)參數發(fā)生變化需要記錄則記錄，則平均每條數據記錄的長(cháng)度為23BYTE，因此，1～63頁(yè)的數據記錄可以存儲的記錄條數為：

63 × 16 KBYTE ÷ 23 BYTE ＝44877 次

連續記錄時(shí)間為：

44877 × 5s ＝ 224385 s ＝ 62 小時(shí)

連續記錄62小時(shí)，滿(mǎn)足了裝置連續記錄50小時(shí)的要求，且系統采用了記錄長(cháng)度校核算法以及較為嚴格的CRC校驗算法，提高了裝置記錄數據的可靠性，該裝置已通過(guò)鄭州鐵路局技術(shù)鑒定，該裝置在一年半的裝車(chē)實(shí)際運用中，記錄可靠，由于機車(chē)每天實(shí)際運行時(shí)間小于15小時(shí)，且每條記錄平均變化數小于假定的8個(gè)，因此，實(shí)際記錄時(shí)間在6～7天左右。