劉成明，張艷兵，李新娥

（中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和科研中，通常要對信號進行長時間高速采樣，會產(chǎn)生大量采樣數(shù)據(jù)。在一些特殊環(huán)境下，受體積和功耗的限制，不能添加過多存儲器，需要引入數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來解決。軟件壓縮算法的運算量較大，需要很高的CPU運算速度和數(shù)據(jù)緩存空間，所以軟件壓縮一般應用在對時間要求不高的非實時壓縮場合。而對運行速度有特殊要求的情況下，對數(shù)據(jù)的實時壓縮一般都要用硬件實現(xiàn)。有損壓縮之后數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，與原來的數(shù)據(jù)有所不同。多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)因被測對象的不確定性，需要采用無損數(shù)據(jù)壓縮［1］。由于LZW無損壓縮算法具有自適應特性，在對信號統(tǒng)計特性不明確的情況下仍然有較好的壓縮效果。結(jié)合FPGA的高集成度、低功耗、靈活性及并行運算的特性［2］，該設(shè)計用FPGA硬件實現(xiàn)LZW算法，以提高系統(tǒng)的實時壓縮能力。

1 LZW算法簡介

LZW算法是一種基于字典的壓縮算法，由Lemple、Ziv、Welch三人共同創(chuàng)造。該算法在數(shù)據(jù)的壓縮過程中會根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動態(tài)地建立一個字典，后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)都會在這個字典中匹配查找，根據(jù)查找是否成功決定壓縮編碼的輸出。該算法的巧妙之處在于，壓縮過程中動態(tài)建立的字典不需要與壓縮數(shù)據(jù)流一道進行傳輸和存儲。在對數(shù)據(jù)進行解壓時，也能夠通過壓縮數(shù)據(jù)流重新建立一個字典，來完成解壓縮。算法粗略的描述如下［3］:Output End flag；

算法首先進行字典的初始化。然后輸入第一個字符數(shù)據(jù)賦給變量String（S）。數(shù)據(jù)逐個輸入壓縮器中，并賦給變量Character（C）。S和C生成一個索引，與字典中的詞條數(shù)據(jù)進行匹配:如果匹配成功，將S和C的編碼值賦給S，繼續(xù)進行下一輪的匹配；如果匹配失敗，則將S輸出，將S和C的編碼值存入字典，并且將C的值賦給S，這一過程一直進行直到結(jié)束。最后輸出S，輸出結(jié)束標志。

由算法描述可見，LZW算法過程并不是很復雜，能夠得到較快的壓縮速度。并且其在對數(shù)據(jù)特征并不了解情況下，也能有較好的壓縮效果。同時，其對應的解壓縮算法也不復雜，解壓速度也優(yōu)于其他一些算法。

2 LZW算法的FPGA實現(xiàn)

Cyclone II是Altera公司推出的新一代低成本系列FPGA器件［4］，選用Cyclone II系列的EP2C5T144I8芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。這款芯片有4 608個邏輯單元、26塊M4KRAM塊、13個嵌入式乘法器、2個鎖相環(huán)，用戶I／O引腳數(shù)目為89，完全能夠滿足設(shè)計對存儲器容量以及邏輯功能的要求，并且有一定余量，便于功能擴展。設(shè)計采用Quartus II為FPGA器件軟件開發(fā)平臺，用VHDL＋原理圖的混合輸入方式進行層次化描述。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后存儲到外部存儲器，再讀入計算機，用專用軟件對壓縮數(shù)據(jù)進行解壓還原，對原始數(shù)據(jù)進一步分析處理。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

整個設(shè)計的核心是壓縮算法的實現(xiàn)。FPGA設(shè)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并優(yōu)化功能的時序關(guān)鍵路徑［5］。具體到LZW算法的FPGA實現(xiàn)，劃分了10個大模塊，各個模塊相互之間的連接如圖2所示。圖中名字相同的箭頭，表示是連接在一起的。為了使框圖看起來比較清晰，圖中省略了一些控制信號的連接。狀態(tài)機控制模塊（M5）是整個壓縮模塊的時序控制中心，根據(jù)其他模塊反饋給它的信號，判斷壓縮的運行狀態(tài)，從而控制其他各個模塊的運行。

用FPGA實現(xiàn)LZW算法要解決以下幾個問題［6］:

①壓縮過程中字典的緩存問題。因為所有數(shù)據(jù)處理和傳輸工作都是由FPGA完成，且考慮到實時壓縮速度，字典的緩存使用FPGA內(nèi)部的RAM資源。

圖2 LZW壓縮算法的功能框圖

②字典的建立與更新問題。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位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)流傳輸和存儲問題。由于壓縮后是9位的數(shù)據(jù)流，不利于數(shù)據(jù)的存儲，因此將9位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)據(jù)流進行傳輸和存儲。

3 系統(tǒng)測試及性能分析

首先測試LZW算法模塊能否正確無誤地壓縮數(shù)據(jù)。先由上位機發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA壓縮數(shù)據(jù)并寫入SRAM存儲器。壓縮結(jié)束后，上位機讀取SRAM中的數(shù)據(jù)并存為一個文件，最后再將這個文件與用軟件壓縮的結(jié)果作比較，來判斷結(jié)果正確與否。圖3是壓縮原文件和解壓后文件以十六進制形式對比后的結(jié)果，從圖中下方框中的信息可知，兩個文件的大小都是248 714字節(jié)，0字節(jié)差異，完全匹配。為了提高測試的全面性，避免出現(xiàn)因為偶然而造成的個別功能死角沒被測到，利用格式各異的數(shù)據(jù)文件進行了大量的壓縮結(jié)果對比實驗，最終實驗結(jié)果表明軟硬件壓縮的結(jié)果是一致的，并且解壓后與源文件也是一樣的，說明LZW數(shù)據(jù)壓縮模塊實現(xiàn)了功能上的要求。

圖3 壓縮原文件和解壓縮后文件的對比

然后對壓縮模塊的壓縮率進行測試。整個設(shè)計最初的定位是應用于微體積、微功耗的測試系統(tǒng)中，現(xiàn)選取了實驗室里一些實測數(shù)據(jù)（圖4～6），對其分別用LZW與WinRAR進行壓縮實驗。WinRAR是一種商業(yè)的無損壓縮軟件，使用的是混合壓縮算法，可根據(jù)需要向計算機申請內(nèi)存作為哈希字典，字典大小可達4MB。壓縮后的最終結(jié)果如表1所列。表中的壓縮率是按壓縮后的數(shù)據(jù)量除以壓縮前的數(shù)據(jù)量計算的，壓縮率數(shù)值越小表明壓縮效果越好。

圖4 膛壓波形

圖5 引信電源電壓波形

圖6 加速度曲線

表1 實測數(shù)據(jù)用不同的壓縮算法壓縮后的效果

從表中可以粗略看出以下兩點:

①同一壓縮算法對同一類數(shù)據(jù)壓縮效果相差不多，但同一壓縮算法對不同類的數(shù)據(jù)壓縮效果相差較大。

②LZW壓縮算法的壓縮性能低于商業(yè)軟件Win－RAR，并且這種壓縮性能對不同類的數(shù)據(jù)的表現(xiàn)也不盡相同。

從上表可以看出，所設(shè)計的算法對某些類型的數(shù)據(jù)的壓縮效果還是非常顯著的。雖然從壓縮率上來說，LZW不如WinRAR出色，這是由于LZW算法要比使用混合算法的WinRAR簡單，同時還受到在FPGA器件中構(gòu)造的哈希字典容量大小的限制。但LZW的優(yōu)點也在于其算法簡單，在對同一數(shù)據(jù)文件進行壓縮時，速度上LZW比WinRAR要勝出一籌，這個速度特性在實時壓縮時尤為重要。

結(jié) 語

介紹了一種用FPGA實現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。通過大量測試驗證，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正確無誤地工作，壓縮時的最大數(shù)據(jù)吞吐量在8MB／s以上，對實測數(shù)據(jù)壓縮率最高可達13.70%，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。同時，當FPGA工作在主頻為24MHz，A／D采樣頻率在1Msps時，整個電路的供電電流只有37mA，滿足了測試系統(tǒng)低功耗的要求。若用外部RAM存儲器實現(xiàn)LZW字典，將能大幅度地擴大字典容量，顯著改善數(shù)據(jù)的壓縮效果。

［1］靳鴻，裴東興，祖靜.無損數(shù)據(jù)壓縮在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用探討［J］.華北工學院學報，2003，24（1）:69－71.

［2］韓雪，郭文成.FPGA的功耗概念與低功耗設(shè)計研究［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010，（3）:9－11.

［3］Welch T A.A Technique for High－Performance Data Compression［J］.IEEE Computer 1984，17（6）:8－19.

［4］Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook Volume 1，2010.

［5］陳世海.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集及壓縮系統(tǒng)設(shè)計［D］.太原:中北大學，2010.

［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.