組合壓縮在存儲測試系統(tǒng)中的應用

摘 要： 在某些特殊的測試環(huán)境中，存儲測試系統(tǒng)中既要求大容量數(shù)據(jù)存儲又要求微體積。為解決這一矛盾,在研究了游程壓縮和LZW兩種算法的基礎上，提出了以FPGA為核心實現(xiàn)兩種算法的無損組合壓縮,利用FPGA芯片內的RAM來建立字典,用VHDL語言和狀態(tài)機實現(xiàn)該壓縮算法。仿真和綜合驗證表明，通過FPGA實現(xiàn)該組合算法，壓縮效果顯著,壓縮性能與壓縮速度均滿足系統(tǒng)要求。
關鍵詞： 存儲測試系統(tǒng)； FPGA； 組合壓縮； VHDL

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)香農信息論[2]，某離散消息xi所攜帶的信息量：

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。

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]：
　　Initialize Table
　　 STRING = get input character
　　 WHILE there are still input characters DO
　　 CHARACTER = get input character
　　 IF STRING+CHARACTER is in the string table then
　　 STRING = STRING+character
　　 ELSE
　　 Output the code for STRING
　　 Add STRING+CHARACTER to the string table
　　 STRING = CHARACTER
　　 END of IF
　　 END of WHILE
Output the code for STRING
Output End_flag
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)
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。