裴東興，任武林

（中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原030051）

存儲測試系統(tǒng)是為完成特殊環(huán)境下測試而設計的電子物理系統(tǒng),它可在高溫、高壓、強沖擊振動、高過載等惡劣環(huán)境下自動完成被測信息的實時采集與存儲記憶[1]。在某些星載、彈載測試系統(tǒng)中，測試環(huán)境惡劣、測試時間長，所需記錄的數(shù)據(jù)量較大。但測試裝置受到體積的限制,要在現(xiàn)有存儲容量基礎上獲取更多的信息,就需要進行相關的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)壓縮是減少數(shù)據(jù)量的有效手段之一。數(shù)據(jù)壓縮通常分為有損壓縮和無損壓縮兩大類。為準確恢復出原始數(shù)據(jù)并結合測試數(shù)據(jù)的特點，本文選用游程(RLE)和LZW兩種無損壓縮算法對數(shù)據(jù)進行組合壓縮。

1 數(shù)據(jù)壓縮理論

存儲測試系統(tǒng)作為一種信息采集系統(tǒng)，目的是向使用者傳遞信息。由于A/D轉換的位數(shù)是有限的，所以信息采集系統(tǒng)只能產(chǎn)生有限的數(shù)據(jù)，可以把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)看作是一種離散信源。根據(jù)香農(nóng)信息論[2]，某離散消息xi所攜帶的信息量：

式中，p(xi)為該消息的發(fā)生概率。對于數(shù)據(jù)文件來說，所包含的每個數(shù)字就是一個攜帶信息的消息，可以計算每個數(shù)據(jù)文件包含的信息量。如果N個符號的離散消息源的各個符號間是統(tǒng)計獨立的，則這個消息源的平均信息量為：

平均信息量也稱為信息熵，是在采用無損壓縮時所能達到的壓縮的最小極限。

實際上，消息序列的符號間往往還存在著一定的統(tǒng)計相關性[3]，這將使得消息序列攜帶的信息量減少。例如，對一個標準余弦函數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，不論采樣的數(shù)據(jù)量有多大，只需要知道這個函數(shù)的幅度、頻率和起始相位就可以精確地表示這一數(shù)據(jù)。這在具體數(shù)據(jù)中就表現(xiàn)為重復出現(xiàn)的數(shù)據(jù)串，消除這些重復串，降低數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計相關性，也是數(shù)據(jù)壓縮算法一般遵循的準則。實際的壓縮器在設計上往往不是單獨采用統(tǒng)計式或字典式壓縮法，一般將幾種算法結合起來，以達到高效率的壓縮比。

2 算法設計

2.1 算法選擇

在對多組實測的數(shù)據(jù)進行分析后，可以看出測試數(shù)據(jù)有一些典型的特征。圖1是一典型的石油井下壓力測試數(shù)據(jù)，由圖可以看出,測試數(shù)據(jù)一般都具有以下特征:

(1)測試數(shù)據(jù)幅值比較連續(xù),相鄰數(shù)據(jù)差值較小,具有很強的統(tǒng)計相關性。

(2)大部分數(shù)據(jù)波動不大,只有少部分數(shù)據(jù)變化輻度較大。

圖1 石油井下壓力測試數(shù)據(jù)

針對上述的測試數(shù)據(jù)(12 bit的AD轉換器)大部分波動很小(高4位數(shù)據(jù)基本保持不變),這樣的大量重復數(shù)據(jù)非常適合游程壓縮。對于低8 bit數(shù)據(jù),雖然相鄰時刻的值不可能完全相同,但其值會在測試過程中多次出現(xiàn)。無損數(shù)據(jù)壓縮中,LZW是基于字典模型的一種壓縮算法,具有自適應的特點,非常適合這種數(shù)據(jù)的壓縮。表1是兩種算法組合與單獨使用LZW算法的對比。從表1中可以看出，采用這兩種算法結合的方式對數(shù)據(jù)進行組合壓縮可以獲得較好的壓縮效果。

2.2 游程壓縮算法

游程編碼（RLE）是一種相對比較簡單的數(shù)據(jù)壓縮技術，容易以硬件實現(xiàn)壓縮。實現(xiàn)游程編碼分為定長游程編碼和變長游程編碼兩種。本文采用8 bit定長游程編碼，編碼流程如下：

(1)初始化計數(shù)器cnt=1，輸入首字節(jié)P；

(2)判斷文件是否結束。若結束，輸出P和cnt，壓縮完成；若沒有結束，輸入次字節(jié)C，如果P=C且cnt＜255，cnt=cnt+1,則重復步驟(2)；如果P≠C，則輸出P和cnt，重復步驟(1)。直到壓縮完成。

2.3 LZW壓縮算法

LZW算法是一種面向通用數(shù)據(jù)的即時、高效、簡單,易于實現(xiàn)的一種無損數(shù)據(jù)壓縮算法,不依賴于任何數(shù)據(jù)格式,具有很大的應用范圍,且是基于字典模型的算法實現(xiàn)的關鍵在于字典的建立和查找。LZW算法的粗略描述如下[4]：

由算法描述可見，LZW算法邏輯過程簡單，能夠得到較快的壓縮速度，易于硬件壓縮。

3 硬件實現(xiàn)

表1 壓縮效果對比

3.1 系統(tǒng)整體設計

Cyclone II是Altera 公司推出的新一代低成本系列FPGA器件[5]，本設計選用Cyclone II系列的EP2C5T144I8芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的組合壓縮。EP2C5T144I8芯片具有4 608個LE(邏輯單元)、26個M4 K的RAM、13個嵌入式乘法器、2個PLL(鎖相環(huán))和158個用戶I/O引腳。系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。傳感器采集到信號后，經(jīng)過模擬適配電路進行濾波、放大后進入AD轉換器,由AD轉換器轉換輸出12 bit的數(shù)據(jù)流輸入到FPGA進行壓縮。高4 bit數(shù)據(jù)進行游程壓縮，低8 bit數(shù)據(jù)進行LZW壓縮，最后將壓縮后的輸出數(shù)據(jù)流存儲到外部存儲器中。采集完成后，通過USB專用接口電路將壓縮后的數(shù)據(jù)從外部存儲器中讀入計算機保存下來，然后用專用軟件對壓縮后的數(shù)據(jù)進行解壓，還原出原始采集到的數(shù)據(jù)以便進一步進行分析處理。

3.2 算法的FPGA實現(xiàn)

系統(tǒng)的設計核心是壓縮算法實現(xiàn)。由于游程壓縮實現(xiàn)簡單，下面重點討論LZW算法的實現(xiàn)。用FPGA實現(xiàn)LZW算法要解決以下幾個問題[6]:

圖2 系統(tǒng)整體框圖

(1)壓縮過程中字典的緩存。因為所有數(shù)據(jù)處理和傳輸工作都是由FPGA完成,字典的緩存必須使用FPGA內(nèi)部有限RAM資源。(2)字典的建立與更新。字典的建立使用FPGA片內(nèi)資源來完成,大容量字典雖然會提高壓縮比，但必須考慮到FPGA內(nèi)部的資源量。因此選用9 bit的定長編碼方式對數(shù)據(jù)進行處理。(3)壓縮后輸出數(shù)據(jù)流的傳輸和存儲。由于壓縮后是9 bit的數(shù)據(jù)流，不利于數(shù)據(jù)的存儲。因此需將9 bit的數(shù)據(jù)流轉換成8 bit的數(shù)據(jù)流進行傳輸和存儲。FPGA設計過程中模塊劃分非常重要,好的模塊劃分能夠大大減少邏輯所消耗的面積和優(yōu)化功能的時序關鍵路徑。LZW算法實現(xiàn)劃分了8個模塊，各個模塊相互之間的連接如圖3所示。整個壓縮過程都是在狀態(tài)機控制模塊(U5)下進行的。

3.3 結果與分析

圖4 仿真與軟件壓縮對比

本文對所實現(xiàn)壓縮算法進行了綜合與仿真驗證,使用開發(fā)工具為Altera公司的QuartusII 7.2,使用Modelsim SE 6.1f仿真工具,用圖4所示的字符串作為輸入碼流進行測試。圖中datain表示輸入數(shù)據(jù),dataout表示壓縮輸出碼流，以16進制表示，用于驗證壓縮的正確性。仿真結果與通過計算機軟件壓縮的結果完全一致。如圖4所示，本設計完全可行。

經(jīng)過綜合,算法的實現(xiàn)使用了20個引腳，占用了13%的邏輯單元,使用了33%的內(nèi)部RAM存儲容量，綜合所得最高時鐘工作頻率為80 MHz，實時壓縮速度達到8 MB。表2是一組實測數(shù)據(jù)的壓縮效果。

表2 實測數(shù)據(jù)壓縮效果

本文介紹的在以FPGA為核心的存儲測試系統(tǒng),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無損組合壓縮。通過相關仿真和綜合驗證,壓縮效果顯著，大大減少了對存儲空間的要求，實現(xiàn)了壓縮性能與壓縮速度的統(tǒng)一。算法主體結構用VHDL語言編寫,具有可移植性，可廣泛地應用于各種基于FPGA的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)中，有很大的應用價值。

[1]張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]吳家安.數(shù)據(jù)壓縮技術及應用[M].北京:科學出版社,2009.

[3]朱琳,羅家融,田一海.核聚變實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)壓縮算法的研究[J].計算機工程,2003，2(29):11-12.

[4]MARK N.LZW data compression[EB/OL].1989.http:marknelson.us/lzw-data-compression/.1989-10-01.

[5]Altera Corporation.Cyclone II device handbook,volume 1.2007.

[6]陳晉敏,黃春明,周軍.激光雷達數(shù)據(jù)無損壓縮的FPGA實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2007,15(1):100-102.