多通道同步数据采集及压缩系统的设计方案

1、多通道同步数据采集及压缩系统的设计方案现代遥测系统中为了尽可能少地占用传输时光和存储空间，在有限的信道容量内传输更多的实用信息，采纳数据压缩技术，有助于降低功率和带宽要求，充实通信效率。这里提出一种基于与的多通道同步数据采集与压缩系统设计计划，该系统应用于遥测多路噪声数据，其中多通道同步数据采集可实现同时测量信号。并举行相关分析后，得到信号间的相关信息，而dsp内嵌的数据压缩算法实现其数据压缩的功能。2 系统的硬件结构21 系统设计思路图1为系统设计的硬件框图。基于cpld和dsp的多通道同步数据采集及压缩系统主要由数据采集模块、数据处理模块以及数据接口模块3部分构成。前端由输人的模拟信号经信

2、号调理模块的整形放大后，输入到 ad转换模块中，模拟量改变为数字量，可编程规律器件(cpld1)控制ad转换器，根据设定的采样率采集数据，将采集到的数据通过写入 fifo，fifo半满时发送一次半满信号，即dsp的中断，dsp接收到中断后立刻将一帧数据从fifo中读人到数据处理模块。dsp将其采集的数据高速压缩后写入到接口模块，再由可编程规律器件(cpld2)通过rs-422总线将数据传送至遥测系统，做进一步分析。22 器件选型221 ad转换器ads8365该系统的ad转换模块选用ti公司的 ads8365型ad转换器，该件支持6通道信号差分输入，有3组信号采集控制端，每组控制2路信号，16

3、位精度，每通道的转换速度高达250 khz。支持高速并行数据输出接口，数据输出接口包括挺直地址挑选模式、cycle模式、fifo模式。222 复杂可变程规律器件(cpld)xcr3256xl采纳cpld控制各个接口，这里选用 xcr3256xl型cpld，它是公司的coolrunner系列的高性能复杂可编程规律器件(cpld)。该器件具有如下特点：采纳 comseeprom创造工艺技术；内置标准jtag接口，支持33 v在系统可编程(isp)；33 v电源，集成密度为6 000个可用门；引脚间延时75 ns系统频率高达140 mhz。同分别规律器件相比，单片cpld实现规律控制功能，简化设计，

4、提高系统牢靠性。另外，xcr3256xl具有在系统可编程的功能，只需一根下载电缆衔接至目标板上，可便利实现多次重复编程，大大便利电路调试。223 数字信号处理器(dsp)tms320c6713b该系统设计的dsp选用tms320c6713b，该器件ti公司推出的tms320c67xx系列浮点dsp中的一款。它采纳改进型哈佛结构，具有运算速度快、功耗小和性价比高等特点。其体系结构采纳 veloci ti超长命令字vliw(very long instruction word)结构。每周期执行8条32位命令，支持3264位数据。采纳类risc命令集，具有300 mhz、33 ns命令周期的运行速度

5、和2 400 mis或1 800 mflops的处理能力适用于高速信号处理。为了加快处理速度，dsp内核采纳2级cache，其中l1级cache分为4 kb挺直程序cache和4 kb数据cache(分为2路)；l2级cache分为64 kb统一存储器和192 kb附加存储器。其内部有16通道edma控制器，能够高速处理几乎全部io和存储器的接口问题，大大提高器件吞吐速度。外部总的存储器地址空间最大 512mb，数据宽度为32 b，可支持sbram，sdram，sram，flash和eprom。tms320c6713与外部io接口通过ffa构造的io端口、hpi口、多缓冲串口(mcbsp)、s

6、pi口等几种方式实现。与专用的硬件压缩器件相比，tms320c6713b可便利实现数据压缩。以及系统升级和配置灵便。3 cpld部分设计31 cpld1控制部分cpld1控制ads8365包括控制a/d转换器的采样率以及数据量化输出模式等，同时控制cs信号可有效抑制噪声；系统时钟输入为50 mhz，cpld1对其分频产生5 mhz时钟以触发ad转换器。程序通过控制a/d转换器的holdx来启动ad转换；控制ad转换器的add来控制其输出通道信息，控制ad转换器的address控制其数据输出工作模式。考虑dsp内程序算法每次推断通道信息会增强dsp运算负担，故设置ad转换无通道信息，ad转换器工

7、作在cycle模式下，a/d转换后的数据按通道号挨次循环输出，dsp可按照挨次性挺直判定数据的详细通道。图2为cpld1控制ads8365电路。cpld1控制dsp主要包括dsp复位设置，设置，dsp控制信号与ce空间组合规律控制读fifo1等。32 数据帧格式设置cpld1将a/d转换后的数据不断写入fifo1，当2 048字节数据写入fifo1后，cpld添加16位的帧标记及16位的帧计数，即数据格式为：被采集数据+帧标记+帧计数。33 cpld2控制接口接口转换模块的核心是cpld，负责从输出fifo2中读取数据，根据遥测系统的要求时序编码后。通过rs-422总线将压缩后的数据上传至遥测

8、系统。4 dsp部分设计41 dsp程序设计流程设备上电dsp复位后，由其内部固化的自引导程序(boot)将存于flash存储器的程序和数据搬移至内部ram中，然后dsp开头读取压缩算法的应用程序，继续运行。dsp的工作流程为：首先初始化dsp的csl函数库，然后初始化pll、gpio及相关中断寄存器，等待中断。采集模块16位数据通过总线不断写入。fifo1中。程序通过控制其半满(hf)信号，即当数据超过半满时，hf信号低电平有效，将触发一次中断通知 dsp，dsp则进入中断后把2048字节的数据从输入fifo1中读入到dsp所指向的sdram的空间中，dsp在处理完中断的空闲时光内举行高速压

9、缩。将压缩数据与原数据相比较，若压缩数据小于原数据，就把压缩数据写入dsp的软fifo中，否则，就将原数据写入dsp的软fifo中。终于，dsp把软fifo中得压缩数据写入输出fifo2中，等待发送模块将数据上传至遥测系统。42 数据压缩算法挑选压缩编码信源信息在解压缩时能够彻低复原，也即在压缩和解压缩过程中信源信息无损失，该编码办法称为无损压缩，常常用法的无损压缩办法有shannon-fano编码，huffman编码，游程(run-length)编码，izw (lempel-ziv-welch)编码和算术编码(arc)等。这里重点研究arc算法和lzw算法。arc算法的思想就像查字典。尽人皆

10、知英文词典的编排方式是按首字母排序，首字母相同的词继续按其次字母排序，以此类推。实际应用算术编码更巧妙。利用字符浮现的概率对01区间分割，然后用01 之间的一个小数对数据编码，原始数据越多，这个小数点后的位数就越多。lzw编码是围绕称为词典的转换表完成的。该转换表用来存放称为前缀(prefix)的字符序列，并且为每个表项分配一个码字(code word)，或称为序号，这张转换表事实上是把8位ascii字符集举行扩充。增强的符号用来表示在文本或图像中浮现的可变长度ascii字符串。扩充后的代码可用912位甚至更多的位表示。12位有4 096个不同的12位代码，这就是说。转换表有4 096个表项，

11、其中256个表项用于存放已定义的字符，剩下的3 840个表项用于存放前缀(prefix)。lzw(软件编码器或硬件编码器)通过管理该词典完成输入与输出之间的转换。lzw编码器的输入是字符流(charstream)，字符流是用8位ascii字符组成的字符串，输出是用n位(例如12位)表示的码字流(codestream)，码字代表单个字符或多个字符组成的字符串。lzw编码器采纳一种有用的分析(parsing)算法，称为贪欲分析算法(greedy parsingalgorithm)。在贪欲分析算法中，每一次分析都要串行检查来自字符流(charstream)的字符串，从中分解出已识别的最长字符串，也就

12、是已在词典中浮现的最长的前缀(prefix)。用已知的前缀(prefix)加上下一个输入字符c也就是当前字符(currentcharacter)作为该前缀的扩展字符，形成新的扩展字符串缀一符串(sning)：prefixc。这个新的缀一符串(string)是否要加到词典中，还要看词典中是否存有和它相同的缀一符串(string)。假如有，那么这个缀一符串(string)就变成前缀(prefix)，继续输入新的字符，否则就把这个缀一符串字符(string)写到词典中生成一个新的前缀(prefix)，并给一个代码。普通来说，不同的压缩算法有不同的优缺点。不同算法的复杂性对空间的要求以及压缩率也不同。这不仅依靠于压缩办法，也与被压缩数据的特点有关。该系统设计是压缩实时数据，要求压缩过程的时光性能较高，故采纳事先统计模型的arc算法。试验证实，采纳该算法其运算速度与lzw算法速度相近。而arc算法在压缩去除率上优于lzw算法。5 试验结果算法挑选主要从压缩速度和压缩去除率举行比较。该设计中前端以27 khz的速度实时采集某系统多路噪声压缩，从表1中可知arc算法针对不同分组段的数据压缩去除率约为79，而lzw算法，在该分组段压缩去除率仅约 31，可见arc压缩算法的压缩去除率比较高。试验中通过上位机发送一定逻辑数据，经过该系统压缩数据处理，压缩后数据再通过上位机解包、解压