多通道同步數(shù)據(jù)采集及壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1、多通道同步數(shù)據(jù)采集及壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)代遙測(cè)系統(tǒng)中為了盡可能少地占用傳輸時(shí)光和存儲(chǔ)空間，在有限的信道容量?jī)?nèi)傳輸更多的實(shí)用信息，采納數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，有助于降低功率和帶寬要求，充實(shí)通信效率。這里提出一種基于與的多通道同步數(shù)據(jù)采集與壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃，該系統(tǒng)應(yīng)用于遙測(cè)多路噪聲數(shù)據(jù)，其中多通道同步數(shù)據(jù)采集可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量信號(hào)。并舉行相關(guān)分析后，得到信號(hào)間的相關(guān)信息，而dsp內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)壓縮算法實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)壓縮的功能。2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件框圖?；赾pld和dsp的多通道同步數(shù)據(jù)采集及壓縮系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)接口模塊3部分構(gòu)成。前端由輸人的模擬信號(hào)經(jīng)信

2、號(hào)調(diào)理模塊的整形放大后，輸入到 ad轉(zhuǎn)換模塊中，模擬量改變?yōu)閿?shù)字量，可編程規(guī)律器件(cpld1)控制ad轉(zhuǎn)換器，根據(jù)設(shè)定的采樣率采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)寫入 fifo，fifo半滿時(shí)發(fā)送一次半滿信號(hào)，即dsp的中斷，dsp接收到中斷后立刻將一幀數(shù)據(jù)從fifo中讀人到數(shù)據(jù)處理模塊。dsp將其采集的數(shù)據(jù)高速壓縮后寫入到接口模塊，再由可編程規(guī)律器件(cpld2)通過(guò)rs-422總線將數(shù)據(jù)傳送至遙測(cè)系統(tǒng)，做進(jìn)一步分析。22 器件選型221 ad轉(zhuǎn)換器ads8365該系統(tǒng)的ad轉(zhuǎn)換模塊選用ti公司的 ads8365型ad轉(zhuǎn)換器，該件支持6通道信號(hào)差分輸入，有3組信號(hào)采集控制端，每組控制2路信號(hào)，16

3、位精度，每通道的轉(zhuǎn)換速度高達(dá)250 khz。支持高速并行數(shù)據(jù)輸出接口，數(shù)據(jù)輸出接口包括挺直地址挑選模式、cycle模式、fifo模式。222 復(fù)雜可變程規(guī)律器件(cpld)xcr3256xl采納cpld控制各個(gè)接口，這里選用 xcr3256xl型cpld，它是公司的coolrunner系列的高性能復(fù)雜可編程規(guī)律器件(cpld)。該器件具有如下特點(diǎn)：采納 comseeprom創(chuàng)造工藝技術(shù)；內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)jtag接口，支持33 v在系統(tǒng)可編程(isp)；33 v電源，集成密度為6 000個(gè)可用門；引腳間延時(shí)75 ns系統(tǒng)頻率高達(dá)140 mhz。同分別規(guī)律器件相比，單片cpld實(shí)現(xiàn)規(guī)律控制功能，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，

4、提高系統(tǒng)牢靠性。另外，xcr3256xl具有在系統(tǒng)可編程的功能，只需一根下載電纜銜接至目標(biāo)板上，可便利實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)編程，大大便利電路調(diào)試。223 數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)tms320c6713b該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的dsp選用tms320c6713b，該器件ti公司推出的tms320c67xx系列浮點(diǎn)dsp中的一款。它采納改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有運(yùn)算速度快、功耗小和性價(jià)比高等特點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)采納 veloci ti超長(zhǎng)命令字vliw(very long instruction word)結(jié)構(gòu)。每周期執(zhí)行8條32位命令，支持3264位數(shù)據(jù)。采納類risc命令集，具有300 mhz、33 ns命令周期的運(yùn)行速度

5、和2 400 mis或1 800 mflops的處理能力適用于高速信號(hào)處理。為了加快處理速度，dsp內(nèi)核采納2級(jí)cache，其中l(wèi)1級(jí)cache分為4 kb挺直程序cache和4 kb數(shù)據(jù)cache(分為2路)；l2級(jí)cache分為64 kb統(tǒng)一存儲(chǔ)器和192 kb附加存儲(chǔ)器。其內(nèi)部有16通道edma控制器，能夠高速處理幾乎全部io和存儲(chǔ)器的接口問(wèn)題，大大提高器件吞吐速度。外部總的存儲(chǔ)器地址空間最大 512mb，數(shù)據(jù)寬度為32 b，可支持sbram，sdram，sram，flash和eprom。tms320c6713與外部io接口通過(guò)ffa構(gòu)造的io端口、hpi口、多緩沖串口(mcbsp)、s

6、pi口等幾種方式實(shí)現(xiàn)。與專用的硬件壓縮器件相比，tms320c6713b可便利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。以及系統(tǒng)升級(jí)和配置靈便。3 cpld部分設(shè)計(jì)31 cpld1控制部分cpld1控制ads8365包括控制a/d轉(zhuǎn)換器的采樣率以及數(shù)據(jù)量化輸出模式等，同時(shí)控制cs信號(hào)可有效抑制噪聲；系統(tǒng)時(shí)鐘輸入為50 mhz，cpld1對(duì)其分頻產(chǎn)生5 mhz時(shí)鐘以觸發(fā)ad轉(zhuǎn)換器。程序通過(guò)控制a/d轉(zhuǎn)換器的holdx來(lái)啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換；控制ad轉(zhuǎn)換器的add來(lái)控制其輸出通道信息，控制ad轉(zhuǎn)換器的address控制其數(shù)據(jù)輸出工作模式?？紤]dsp內(nèi)程序算法每次推斷通道信息會(huì)增強(qiáng)dsp運(yùn)算負(fù)擔(dān)，故設(shè)置ad轉(zhuǎn)換無(wú)通道信息，ad轉(zhuǎn)換器工

7、作在cycle模式下，a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按通道號(hào)挨次循環(huán)輸出，dsp可按照挨次性挺直判定數(shù)據(jù)的詳細(xì)通道。圖2為cpld1控制ads8365電路。cpld1控制dsp主要包括dsp復(fù)位設(shè)置，設(shè)置，dsp控制信號(hào)與ce空間組合規(guī)律控制讀fifo1等。32 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)置cpld1將a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)不斷寫入fifo1，當(dāng)2 048字節(jié)數(shù)據(jù)寫入fifo1后，cpld添加16位的幀標(biāo)記及16位的幀計(jì)數(shù)，即數(shù)據(jù)格式為：被采集數(shù)據(jù)+幀標(biāo)記+幀計(jì)數(shù)。33 cpld2控制接口接口轉(zhuǎn)換模塊的核心是cpld，負(fù)責(zé)從輸出fifo2中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)的要求時(shí)序編碼后。通過(guò)rs-422總線將壓縮后的數(shù)據(jù)上傳至遙測(cè)

8、系統(tǒng)。4 dsp部分設(shè)計(jì)41 dsp程序設(shè)計(jì)流程設(shè)備上電dsp復(fù)位后，由其內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序(boot)將存于flash存儲(chǔ)器的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部ram中，然后dsp開(kāi)頭讀取壓縮算法的應(yīng)用程序，繼續(xù)運(yùn)行。dsp的工作流程為：首先初始化dsp的csl函數(shù)庫(kù)，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(shù)據(jù)通過(guò)總線不斷寫入。fifo1中。程序通過(guò)控制其半滿(hf)信號(hào)，即當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)半滿時(shí)，hf信號(hào)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(jié)的數(shù)據(jù)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)光內(nèi)舉行高速壓

9、縮。將壓縮數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)相比較，若壓縮數(shù)據(jù)小于原數(shù)據(jù)，就把壓縮數(shù)據(jù)寫入dsp的軟fifo中，否則，就將原數(shù)據(jù)寫入dsp的軟fifo中。終于，dsp把軟fifo中得壓縮數(shù)據(jù)寫入輸出fifo2中，等待發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)上傳至遙測(cè)系統(tǒng)。42 數(shù)據(jù)壓縮算法挑選壓縮編碼信源信息在解壓縮時(shí)能夠徹低復(fù)原，也即在壓縮和解壓縮過(guò)程中信源信息無(wú)損失，該編碼辦法稱為無(wú)損壓縮，常常用法的無(wú)損壓縮辦法有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)研究arc算法和lzw算法。arc算法的思想就像查字典。盡人皆

10、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(xù)按其次字母排序，以此類推。實(shí)際應(yīng)用算術(shù)編碼更巧妙。利用字符浮現(xiàn)的概率對(duì)01區(qū)間分割，然后用01 之間的一個(gè)小數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)編碼，原始數(shù)據(jù)越多，這個(gè)小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)就越多。lzw編碼是圍繞稱為詞典的轉(zhuǎn)換表完成的。該轉(zhuǎn)換表用來(lái)存放稱為前綴(prefix)的字符序列，并且為每個(gè)表項(xiàng)分配一個(gè)碼字(code word)，或稱為序號(hào)，這張轉(zhuǎn)換表事實(shí)上是把8位ascii字符集舉行擴(kuò)充。增強(qiáng)的符號(hào)用來(lái)表示在文本或圖像中浮現(xiàn)的可變長(zhǎng)度ascii字符串。擴(kuò)充后的代碼可用912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(zhuǎn)換表有4 096個(gè)表項(xiàng)，

11、其中256個(gè)表項(xiàng)用于存放已定義的字符，剩下的3 840個(gè)表項(xiàng)用于存放前綴(prefix)。lzw(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(zhuǎn)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編碼器采納一種有用的分析(parsing)算法，稱為貪欲分析算法(greedy parsingalgorithm)。在貪欲分析算法中，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(shí)別的最長(zhǎng)字符串，也就

12、是已在詞典中浮現(xiàn)的最長(zhǎng)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(dāng)前字符(currentcharacter)作為該前綴的擴(kuò)展字符，形成新的擴(kuò)展字符串綴一符串(sning)：prefixc。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)。假如有，那么這個(gè)綴一符串(string)就變成前綴(prefix)，繼續(xù)輸入新的字符，否則就把這個(gè)綴一符串字符(string)寫到詞典中生成一個(gè)新的前綴(prefix)，并給一個(gè)代碼。普通來(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(fù)雜性對(duì)空間的要求以及壓縮率也不同。這不僅依靠于壓縮辦法，也與被壓縮數(shù)據(jù)的特點(diǎn)有關(guān)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是壓縮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，要求壓縮過(guò)程的時(shí)光性能較高，故采納事先統(tǒng)計(jì)模型的arc算法。試驗(yàn)證實(shí)，采納該算法其運(yùn)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 試驗(yàn)結(jié)果算法挑選主要從壓縮速度和壓縮去除率舉行比較。該設(shè)計(jì)中前端以27 khz的速度實(shí)時(shí)采集某系統(tǒng)多路噪聲壓縮，從表1中可知arc算法針對(duì)不同分組段的數(shù)據(jù)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。試驗(yàn)中通過(guò)上位機(jī)發(fā)送一定邏輯數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)壓縮數(shù)據(jù)處理，壓縮后數(shù)據(jù)再通過(guò)上位機(jī)解包、解壓