基于FPGA的数据实时无损压缩系统设计

论文摘要

某些复杂环境下的动态测试系统具有测试精度高、数据量大、传输距离远、无线传输速度慢等特点，这给数据的存储与传输造成很大的困难，采用硬件进行实时无损压缩就成为必要。本研究课题就是在这一背景下提出的。本文设计了一种基于FPGA的数据实时无损压缩系统，算法采用LZW算法。首先通过对比分析常用数据无损压缩算法的特点得出LZW算法在实时性、实现复杂度、所需的存储容量、算法的压缩效果和适用的场合方面都有不错的特点，因此以它作为硬件实现的算法。此数据实时无损压缩系统由数据实时无损压缩硬件电路、测试软件、解压软件与读数软件组成，其中数据实时无损压缩硬件电路由数据采集、数据压缩、控制单元、数据存储、电源管理等几部分组成，核心器件是FPGA，采用ALTERA公司Cyclone II系列EP2C5T144I8。利用FPGA芯片内部的RAM资源构成输入数据的缓存器以及LZW算法所需的2个字典存储器，并结合有利于硬件实现的字典管理策略完成了实时无损压缩，同时FPGA还负责对模数转换器、闪存的控制等功能。本设计采用QUARTUS II为FPGA器件软件开发平台，采用VHDL+原理图的混合输入方式进行层次化描述。本设计完成了数据实时无损压缩的硬件电路，还用VC设计了相应的测试软件与解压软件，其中测试软件给硬件压缩器以后的功能升级提供了极大的便利。经过仿真及相关实验，所设计的硬件压缩电路在24MHz的时钟频率下，实时压缩速率为每秒1M个数据样本，每个样本为12bit，对测试数据压缩比一般为25%左右，存储容量为1G bit，能够满足某些系统的实时要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 数据压缩基本理论及常用算法
• 2.1 数据压缩理论背景及相关概念
• 2.1.1 信息论思想
• 2.1.2 压缩比、压缩因子、压缩增益、压缩速度
• 2.2 数据压缩分类
• 2.3 LZW算法
• 2.3.1 LZW算法原理
• 2.3.2 LZW算法优缺点分析
• 2.4 游程编码算法
• 2.5 Huffman编码算法
• 2.6 算术编码
• 3 Cyclone II系列 FPGA的结构与常用设计方法
• 3.1 FPGA的基本结构与特点
• 3.1.1 FPGA概述
• 3.1.2 FPGA的基本结构
• 3.1.3 FPGA的特点
• 3.2 Cyclone II系列 FPGA芯片
• 3.2.1 Cyclone II系列 FPGA的功能特点
• 3.2.2 Cyclone II系列 FPGA的结构
• 3.2.3 Cyclone II系列 FPGA芯片的配置
• 3.3 FPGA设计的常用方法
• 3.3.1 可编程逻辑基本设计原则
• 3.3.2 FPGA设计的常用方法与技巧
• 4 数据实时无损压缩硬件电路的设计
• 4.1 硬件电路总体结构
• 4.2 芯片选型及芯片介绍
• 4.2.1 芯片选型原则
• 4.2.2 FPGA芯片
• 4.2.3 ADC芯片
• 4.2.4 闪存芯片
• 4.2.5 电源管理芯片
• 4.3 LZW算法的 FPGA实现
• 4.3.1 功能模块的划分
• 4.3.2 输入数据缓存模块
• 4.3.3 字典存储器模块
• 4.3.4 哈希表地址生成模块
• 4.3.5 哈希表地址冲突处理模块
• 4.3.6 LZW算法实现模块
• 4.3.7 字典维护与更新模块
• 4.3.8 压缩序列脉冲发生模块
• 4.3.9 位数转换模块
• 4.3.10 工作过程
• 4.3.11 仿真结果
• 4.4 输出数据缓存模块
• 4.5 闪存控制器的设计
• 4.6 ADC的控制逻辑
• 4.7 FPGA内部模块顶层原理图
• 4.8 数据压缩硬件电路设计原理图
• 5 测试软件与解压软件设计
• 5.1 测试软件的设计
• 5.1.1 编写测试软件的必要性
• 5.1.2 测试软件界面设计
• 5.1.3 各功能模块的具体实现
• 5.1.4 利用测试软件对功能正确性进行验证
• 5.2 解压软件的设计
• 5.2.1 解压原理
• 5.2.2 解压软件界面设计
• 5.2.3 解压功能实现
• 5.2.4 解压软件功能验证
• 6 结果验证与分析
• 6.1 综合结果分析
• 6.1.1 FPGA占用资源情况分析
• 6.1.2 时序分析
• 6.1.3 硬件压缩电路 FPGA内部模块顶层 RTL电路图
• 6.2 压缩电路读数软件简介
• 6.3 压缩电路功能验证
• 6.4 压缩电路性能分析
• 6.4.1 最大实时压缩速率分析
• 6.4.2 功耗分析
• 6.4.3 对不同类型数据文件的压缩比
• 6.4.4 处理能力同其他硬件压缩器的比较
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 创新点与不足
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作
• 致谢