组合压缩在存储测试系统中的应用

存储测试系统是为完成特殊环境下测试而设计的电子物理系统,它可在高温、高压、强冲击振动、高过载等恶劣环境下自动完成被测信息的实时采集与存储记忆[1]。在某些星载、弹载测试系统中，测试环境恶劣、测试时间长，所需记录的数据量较大。但测试装置受到体积的限制,要在现有存储容量基础上获取更多的信息,就需要进行相关的数据处理。数据压缩是减少数据量的有效手段之一。数据压缩通常分为有损压缩和无损压缩两大类。为准确恢复出原始数据并结合测试数据的特点，本文选用游程(RLE)和LZW两种无损压缩算法对数据进行。
1 数据压缩理论
存储测试系统作为一种信息采集系统，目的是向使用者传递信息。由于A/D转换的位数是有限的，所以信息采集系统只能产生有限的数据，可以把数据采集系统看作是一种离散信源。根据香农信息论[2]，某离散消息xi所携带的信息量：

平均信息量也称为信息熵，是在采用无损压缩时所能达到的压缩的最小极限。
　实际上，消息序列的符号间往往还存在着一定的统计相关性[3]，这将使得消息序列携带的信息量减少。例如，对一个标准余弦函数进行数据采集，不论采样的数据量有多大，只需要知道这个函数的幅度、频率和起始相位就可以精确地表示这一数据。这在具体数据中就表现为重复出现的数据串，消除这些重复串，降低数据中的统计相关性，也是数据压缩算法一般遵循的准则。实际的压缩器在设计上往往不是单独采用统计式或字典式压缩法，一般将几种算法结合起来，以达到高效率的压缩比。
2 算法设计
2.1 算法选择
　 在对多组实测的数据进行分析后，可以看出测试数据有一些典型的特征。图1是一典型的石油井下压力测试数据，由图可以看出,测试数据一般都具有以下特征:
　 (1)测试数据幅值比较连续,相邻数据差值较小,具有很强的统计相关性。
　 (2)大部分数据波动不大,只有少部分数据变化辐度较大。

针对上述的测试数据(12 bit的AD转换器)大部分波动很小(高4位数据基本保持不变),这样的大量重复数据非常适合游程压缩。对于低8 bit数据,虽然相邻时刻的值不可能完全相同,但其值会在测试过程中多次出现。无损数据压缩中,LZW是基于字典模型的一种压缩算法,具有自适应的特点,非常适合这种数据的压缩。表1是两种算法组合与单独使用LZW算法的对比。从表1中可以看出，采用这两种算法结合的方式对数据进行可以获得较好的压缩效果。

2.2 游程压缩算法
游程编码（RLE）是一种相对比较简单的数据压缩技术，容易以硬件实现压缩。实现游程编码分为定长游程编码和变长游程编码两种。本文采用8 bit定长游程编码，编码流程如下：
(1)初始化计数器cnt=1，输入首字节P；
(2)判断文件是否结束。若结束，输出P和cnt，压缩完成；若没有结束，输入次字节C，如果P=C且cnt255，cnt=cnt+1,则重复步骤(2)；如果P≠C，则输出P和cnt，重复步骤(1)。直到压缩完成。
2.3 LZW压缩算法
LZW算法是一种面向通用数据的即时、高效、简单,易于实现的一种无损数据压缩算法,不依赖于任何数据格式,具有很大的应用范围,且是基于字典模型的算法实现的关键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
由算法描述可见，LZW算法逻辑过程简单，能够得到较快的压缩速度，易于硬件压缩。
3 硬件实现
3.1 系统整体设计
Cyclone II是Altera公司推出的新一代低成本系列FPGA器件[5]，本设计选用Cyclone II系列的EP2C5T144I8芯片来实现数据的。EP2C5T144I8芯片具有4 608个LE(逻辑单元)、26个M4 K的RAM、13个嵌入式乘法器、2个PLL(锁相环)和158个用户I/O引脚。系统的整体框图如图2所示。传感器采集到信号后，经过模拟适配电路进行滤波、放大后进入AD转换器,由AD转换器转换输出12 bit的数据流输入到FPGA进行压缩。高4 bit数据进行游程压缩，低8 bit数据进行LZW压缩，最后将压缩后的输出数据流存储到外部存储器中。采集完成后，通过USB专用接口电路将压缩后的数据从外部存储器中读入计算机保存下来，然后用专用软件对压缩后的数据进行解压，还原出原始采集到的数据以便进一步进行分析处理。