存儲測試系統是為完成特殊環境下測試而設計的電子物理系統,它可在高溫、高壓、強沖擊振動、高過載等惡劣環境下自動完成被測信息的實時采集與存儲記憶[1]。在某些星載、彈載測試系統中，測試環境惡劣、測試時間長，所需記錄的數據量較大。但測試裝置受到體積的限制,要在現有存儲容量基礎上獲取更多的信息,就需要進行相關的數據處理。數據壓縮是減少數據量的有效手段之一。數據壓縮通常分為有損壓縮和無損壓縮兩大類。為準確恢復出原始數據并結合測試數據的特點，本文選用游程(RLE)和LZW兩種無損壓縮算法對數據進行組合壓縮。
1 數據壓縮理論
    存儲測試系統作為一種信息采集系統，目的是向使用者傳遞信息。由于A/D轉換的位數是有限的，所以信息采集系統只能產生有限的數據，可以把數據采集系統看作是一種離散信源。根據香農信息論[2]，某離散消息xi所攜帶的信息量：

    平均信息量也稱為信息熵，是在采用無損壓縮時所能達到的壓縮的最小極限。
　實際上，消息序列的符號間往往還存在著一定的統計相關性[3]，這將使得消息序列攜帶的信息量減少。例如，對一個標準余弦函數進行數據采集，不論采樣的數據量有多大，只需要知道這個函數的幅度、頻率和起始相位就可以精確地表示這一數據。這在具體數據中就表現為重復出現的數據串，消除這些重復串，降低數據中的統計相關性，也是數據壓縮算法一般遵循的準則。實際的壓縮器在設計上往往不是單獨采用統計式或字典式壓縮法，一般將幾種算法結合起來，以達到高效率的壓縮比。
2 算法設計
2.1 算法選擇
　 在對多組實測的數據進行分析后，可以看出測試數據有一些典型的特征。圖1是一典型的石油井下壓力測試數據，由圖可以看出,測試數據一般都具有以下特征:
　 (1)測試數據幅值比較連續,相鄰數據差值較小,具有很強的統計相關性。
　 (2)大部分數據波動不大,只有少部分數據變化輻度較大。

    針對上述的測試數據(12 bit的AD轉換器)大部分波動很小(高4位數據基本保持不變),這樣的大量重復數據非常適合游程壓縮。對于低8 bit數據,雖然相鄰時刻的值不可能完全相同,但其值會在測試過程中多次出現。無損數據壓縮中,LZW是基于字典模型的一種壓縮算法,具有自適應的特點,非常適合這種數據的壓縮。表1是兩種算法組合與單獨使用LZW算法的對比。從表1中可以看出，采用這兩種算法結合的方式對數據進行組合壓縮可以獲得較好的壓縮效果。

2.2 游程壓縮算法
    游程編碼（RLE）是一種相對比較簡單的數據壓縮技術，容易以硬件實現壓縮。實現游程編碼分為定長游程編碼和變長游程編碼兩種。本文采用8 bit定長游程編碼，編碼流程如下：
    (1)初始化計數器cnt=1，輸入首字節P；
    (2)判斷文件是否結束。若結束，輸出P和cnt，壓縮完成；若沒有結束，輸入次字節C，如果P=C且cnt<255，cnt=cnt+1,則重復步驟(2)；如果P&ne;C，則輸出P和cnt，重復步驟(1)。直到壓縮完成。
2.3 LZW壓縮算法
    LZW算法是一種面向通用數據的即時、高效、簡單,易于實現的一種無損數據壓縮算法,不依賴于任何數據格式,具有很大的應用范圍,且是基于字典模型的算法實現的關鍵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
    由算法描述可見，LZW算法邏輯過程簡單，能夠得到較快的壓縮速度，易于硬件壓縮。
3 硬件實現
3.1 系統整體設計
    Cyclone II是Altera公司推出的新一代低成本系列FPGA器件[5]，本設計選用Cyclone II系列的EP2C5T144I8芯片來實現數據的組合壓縮。EP2C5T144I8芯片具有4 608個LE(邏輯單元)、26個M4 K的RAM、13個嵌入式乘法器、2個PLL(鎖相環)和158個用戶I/O引腳。系統的整體框圖如圖2所示。傳感器采集到信號后，經過模擬適配電路進行濾波、放大后進入AD轉換器,由AD轉換器轉換輸出12 bit的數據流輸入到FPGA進行壓縮。高4 bit數據進行游程壓縮，低8 bit數據進行LZW壓縮，最后將壓縮后的輸出數據流存儲到外部存儲器中。采集完成后，通過USB專用接口電路將壓縮后的數據從外部存儲器中讀入計算機保存下來，然后用專用軟件對壓縮后的數據進行解壓，還原出原始采集到的數據以便進一步進行分析處理。

3.2 算法的FPGA實現
    系統的設計核心是壓縮算法實現。由于游程壓縮實現簡單，下面重點討論LZW算法的實現。用FPGA實現LZW算法要解決以下幾個問題[6]:
    (1)壓縮過程中字典的緩存。因為所有數據處理和傳輸工作都是由FPGA 完成,字典的緩存必須使用FPGA內部有限RAM 資源。(2)字典的建立與更新。字典的建立使用FPGA 片內資源來完成, 大容量字典雖然會提高壓縮比，但必須考慮到FPGA內部的資源量。因此選用9 bit的定長編碼方式對數據進行處理。(3)壓縮后輸出數據流的傳輸和存儲。由于壓縮后是9 bit的數據流，不利于數據的存儲。因此需將9 bit的數據流轉換成8 bit的數據流進行傳輸和存儲。FPGA設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和優化功能的時序關鍵路徑。LZW算法實現劃分了8個模塊，各個模塊相互之間的連接如圖3所示。整個壓縮過程都是在狀態機控制模塊(U5)下進行的。

3.3 結果與分析
    本文對所實現壓縮算法進行了綜合與仿真驗證,使用開發工具為Altera公司的QuartusII 7.2,使用Modelsim SE 6.1f仿真工具,用圖4所示的字符串作為輸入碼流進行測試。圖中datain表示輸入數據,dataout表示壓縮輸出碼流，以16進制表示，用于驗證壓縮的正確性。仿真結果與通過計算機軟件壓縮的結果完全一致。如圖4所示，本設計完全可行。
    經過綜合, 算法的實現使用了20個引腳，占用了13%的邏輯單元,使用了33%的內部RAM存儲容量，綜合所得最高時鐘工作頻率為80 MHz，實時壓縮速度達到8 MB。表2是一組實測數據的壓縮效果。
    本文介紹的在以FPGA為核心的存儲測試系統, 實現了數據的無損組合壓縮。通過相關仿真和綜合驗證, 壓縮效果顯著，大大減少了對存儲空間的要求，實現了壓縮性能與壓縮速度的統一。算法主體結構用VHDL語言編寫, 具有可移植性，可廣泛地應用于各種基于FPGA的數據壓縮系統中，有很大的應用價值。
參考文獻
[1] 張文棟.存儲測試系統的設計理論及其應用[M].北京:高等教育出版社, 2002.
[2] 吳家安.數據壓縮技術及應用[M].北京:科學出版社, 2009.
[3] 朱琳,羅家融,田一海.核聚變實驗數據采集系統中數據壓縮算法的研究[J].計算機工程,2003，2(29):11-12.
[4] MARK N. LZW data compression[EB/OL].1989.http:marknelson.us/lzw-data-compression/.1989-10-01.
[5] Altera Corporation. Cyclone II device handbook,volume 1. 2007.
[6] 陳晉敏,黃春明,周軍.激光雷達數據無損壓縮的FPGA實現[J].計算機測量與控制,2007,15(1):100-102.