一种遥测数据实时采集压缩系统的实现

作者:尹鹏亮;崔永俊;张会新;杨燕姣 刊名:计算机测量与控制 上传者:郭娟

【摘要】设计了一种对遥测大容量速变数据的实时压缩采集方案,通过采用改善无损压缩算法的压缩比、压缩和解压速度以及算法复杂度等多个数据压缩性能,提出了综合性能较好的LZW编码作为数据压缩的核心算法并通过软件仿真确认其效果和压缩算法的执行速度;利用主控芯片FPGA完成对压缩数据的高精度采集,对研制的数据采集压缩系统进行整体测试,测试结果表明,该系统完成了6路速变参数的实时采集与压缩,压缩比达到1.8∶1以上,各项指标满足了设计要求。

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0引言未来飞行器的飞行试验中,遥测系统上的遥测数据测量参数多、测量时间长以及遥测码率和测量精度的提高将会产生更多的数据。数据压缩技术减少了数据传输时间、在现有信道上增加了传输信源、降低发射功耗以及更多地节省了数据存储空间,为数字化技术提供了一个新的领域[1]。1设计要求设计要求采集6路模拟遥测速变信号,信号电压范围0~5V,频率范围10~8000Hz,量化精度为8位。对量化后的遥测数据进行实时压缩处理,要求压缩比达到1.61以上。要求压缩后的数据通过串口串行输出。设计的压缩对象主要是速变参数模拟信号,包括冲力、振动等参数,频率范围10~8000Hz。2总体方案设计根据项目设计要求,以电路最简化、模块化、高可靠性为原则对采集系统进行了专门设计。系统主要完成前端遥测参数的采集,并压缩编码输出至下级单机存储,达到降低数据冗余量,减轻数据存储压力,提高信道利用率,最终提高系统整体性能目的。系统总体框架如图1所示。图1系统总体框图3LZW算法硬件系统电路设计3.1信号前端调理信号的预处理包括信号前端调理、A/D转换和数字滤波3个部分。一般情况下信号前端调理电路对传感器信号进行滤波、放大、缓冲等使其适应于A/D转换器的处理。本文中遥测信号的电压范围为0~5V,无需作放大处理,只需进行滤波处理和跟随处理,增强信号稳定性和抗噪能力。信号前端调理电路如图2所示,本设计通道数为6,需要采用两片运放芯片OPA4340,其含有4个相互独立的运放电路,每个运放输入端设计了无源RC滤波电路,并设置为跟随电路。3.2A/D转换电路模拟信号进入数字处理器FPGA之前需要进行采样量化图2信号前端调理电路为数字信号。综合转换速度、精度和系统尺寸的考虑,选用TI公司的ADS8365芯片。ADS8365转换精度高达16位,内部采用基准电压为2.5V,最高采样频率为250kHz,可并行实现6路差分通道的转换,需要外部输入时钟信号,最大系统时钟频率为5M。其内部自带采样保持电路,可将转换数据锁存。地址控制工作模式有3种,为了采集的灵活性,本文采用直接地址模式(directaddressmode),通过地址信号端A2A1A0选择采样通道。芯片复位后,由锁存命令引脚HOLDX信号下降沿并保持低电平至少20ns,启动通道数据采样,在HOLDX信号上升沿后16.5个芯片工作时钟后基本能完成数据转换,转换成功后ADS8365将引脚EOC置高半个工作时钟周期。电路设计如图3所示[2-4]。图3ADS8365采集量化电路4LZW算法无损压缩设计的实现数据压缩的基本原理来自信息论中的信源编码原理。信源编码是针对信源的特性,通过某种变换以达到减少信源输出的冗余度,提高输出符号的平均信息量,解决传输的有效性问题。压缩编码的好坏取决于压缩比、编码效率、恢复效果、压缩和解压速度与复杂度。LZW算法是原有LZ78的改进算法,LZ78算法也叫LZ2算法,它不使用滑动窗口,但设有一存储空间预先保存已输入数据流作为字典。编码器输出的压缩流数据结构为两个字段,第一个字段为指向字典的指针,另一个字段为字符的编码。设当前编码字符为x,编码器在字典中搜索x,如果没有找到,则在字典中存储x,同时字典指针值为0,输出为(0,“x”)如果找到x,假设其在字典中的位置为29,则字典指针值为29。继续取下一个字符假设为y,在字典中搜索xy,如果找不到,则输出(29,“xy”),如果找到,则记住位置,取下一个字符……如此继续直至最后一个字符。LZW算法主要区别是去掉了输出标识中的第二个字段,输出流中只含指向字典的指针。编码器逐个输入字符并累

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