基于DSP的實時數(shù)據(jù)無損壓縮實現(xiàn)方案

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)能減少傳輸所用的時間和存儲空間，在有限的信道容量內(nèi)傳輸更多的有用信息，有助于降低功率和帶寬要求，改善通信效率。反之，如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，則無論傳輸或存儲都很難實用化[1]。

1 硬件及實現(xiàn)原理

結(jié)合本設(shè)計的實際情況，由于壓縮算法比較復(fù)雜，計算量大，在壓縮數(shù)據(jù)時必須采用浮點(diǎn)型運(yùn)算。另一方面，由于處理精度要求高，所以需要選擇浮點(diǎn)型DSP?；谏鲜隹紤]，選用TI公司的一款性價比非常高的浮點(diǎn)芯片TMS320C6713。其主頻225MHz，每周期執(zhí)行8條32bit指令，最高定點(diǎn)運(yùn)算能力為 1800MIPS，浮點(diǎn)運(yùn)算能力為1350MFLOPS，32位指令集，而且內(nèi)部自帶256KB的RAM，4KB程序緩沖器和4KB的數(shù)據(jù)緩沖器，可以通過外部存儲器接口EMIF(External Memory Inter Faces)擴(kuò)展SDRAM和Flash[2]。在本設(shè)計中，對原始數(shù)據(jù)按照每2 048B為一組進(jìn)行壓縮。壓縮的最小單位是2 048B，且壓縮率不固定，對于某組特定數(shù)據(jù)壓縮后可能比原來的數(shù)據(jù)還要大。壓縮前后的數(shù)據(jù)都需要放到DSP的RAM中進(jìn)行處理，其256KB的RAM不能滿足本設(shè)計存儲要求，需要通過EMIF擴(kuò)展存儲空間。SDRAM選用Micron公司的MT48LC2M32B2。其數(shù)據(jù)總線為32位，存儲空間為 64Mbit。工作電壓為3.3V，內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)保證了芯片的高速運(yùn)行。SDRAM可以與EMIF無縫接口。EMIF的CE0連入片選引腳CS，將 SDRAM映射到CE0地址空間（0x80000000－0x80800000）。Flash是系統(tǒng)在斷電后用來保存程序和初始化數(shù)據(jù)的存儲器，系統(tǒng)上電時，由引導(dǎo)程序?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DSP">DSP的應(yīng)用程序從該存儲器引導(dǎo)到系統(tǒng)的高速存儲器RAM中。本設(shè)計用AMD公司生產(chǎn)的1M×8bit/512K×16bit AM29LV800-70 Flash存儲器，其數(shù)據(jù)寬度為8位、16位可選，采用3.3V供電，訪問時間僅70ns。EMIF的CE1連入片選引腳CE，將Flash映射到CE1 地址空間地址范圍為0x90000000～0x90100000，尋址空間為1MB[3]。

通常在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度及數(shù)據(jù)傳輸速度與前端A/D轉(zhuǎn)換器的采集速度不一致。為了協(xié)調(diào)它們之間工作，可以加入數(shù)據(jù)存儲器或者數(shù)據(jù)緩存器（FIFO）進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，使得前端數(shù)據(jù)采集和后級數(shù)據(jù)處理能夠協(xié)調(diào)工作。在本設(shè)計中，前端的采樣速度為27Kb/s；且數(shù)據(jù)流是連續(xù)的。DSP的主頻為 225MHz，經(jīng)過鎖向環(huán)分頻后其讀取數(shù)據(jù)的速度為38Mb/s左右。DSP若一直等待讀數(shù)據(jù)，會大大降低其數(shù)據(jù)的處理能力。DSP讀入數(shù)據(jù)后，馬上對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，壓縮后把相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫到輸出FIFO。同理，發(fā)送模塊的處理速度為18Kb/s。DSP寫輸出FIFO的速度也在38Mb/s左右。顯然，前端與DSP及DSP與發(fā)送模塊的處理速度不是一個數(shù)量級。所以在前端與DSP之間，DSP與發(fā)送模塊間分別加了兩個FIFO。本設(shè)計中FIFO1、 FIFO2均選用IDT72V19160，其存儲空間為128KB，16位并行數(shù)據(jù)總線，可達(dá)到100MHz的操作時鐘。原理框圖如圖1所示。

前端通過16位數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)寫入到輸入FIFO1中。在程序中通過控制其半滿（HF）信號，即當(dāng)數(shù)據(jù)超過32KB時（32768+1）， HF信號低電平有效，就會觸發(fā)一次中斷通知可編程邏輯和DSP，DSP進(jìn)入中斷后把2KB的數(shù)據(jù)從輸入FIFO1中讀入到SBUF所指向的SDRAM空間中，在進(jìn)行高速壓縮以后，被壓縮的數(shù)據(jù)放到DBUF中。SBUF的數(shù)據(jù)要與DBUF的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若DBUF中存儲數(shù)據(jù)的容量小于SBUF中的存儲數(shù)據(jù)的容量，就把DBUF中相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫到DSP的軟FIFO中，否則，就把SBUF中相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫到DSP的軟FIFO中。最終，DSP把壓縮后的數(shù)據(jù)通過其軟FIFO寫入到輸出FIFO2中，等待發(fā)送模塊把數(shù)據(jù)讀走。

在上述過程中，如果DSP沒有等待到中斷信號，則返回繼續(xù)等待，直到檢測到中斷信號，才讀取FIFO1中的數(shù)據(jù)。在DSP對SBUF中的數(shù)據(jù)幀壓縮的同時，前端以固定的采樣率對模擬信號進(jìn)行采樣，并寫入到輸入FIFO1中。同時DSP把壓縮后的數(shù)據(jù)按每次小于2KB左右的速度寫入到輸出FIFO2。當(dāng)輸出FIFO2半滿，發(fā)送模塊控制器會把其HF信號通過GPIO口指向DSP。本設(shè)計中用GP10實現(xiàn)相應(yīng)的操作。DSP的GPIO口可以設(shè)為輸入引腳，在中斷向量表中定義后，其本身可以當(dāng)作中斷使用。這樣DSP可以把采集到的實時數(shù)據(jù)源源不斷地寫入到FIFO2。整個信號處理模塊的不同子模塊都處于并行工作狀態(tài)，較好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時壓縮，提高了壓縮效率。

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存儲器的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部 RAM中，然后DSP即可以開始讀取壓縮算法的應(yīng)用程序，繼續(xù)運(yùn)行。DSP的工作流程圖如圖2所示。上電以后，首先初始化DSP的CSL函數(shù)庫，然后初始化PLL、GPIO及關(guān)中斷寄存器，等待中斷信號的來臨。