基于FPGA的数据采集及压缩系统设计

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在某些特殊的测试试验中,对测试系统提出了比较苛刻的要求,不但要求系统具有微体积、低功耗的特性,还要具有能够记录大量的数据的功能。本文提出用FPGA实现对采集数据进行现场压缩的方法来解决这个问题。为了进一步减少电路的体积和功耗,提出将测试系统中数据采集部分的控制电路也都放入FPGA中的方案,从而实现数据采集和数据压缩的一体化设计。在本文一开始介绍了FPGA的相关基础知识和FPGA的软件开发平台,下文中FPGA的设计开发都是建立在这些基础之上的。根据现代测试系统的特性和要求,数据采集部分用FPGA实现了对模数转换器AD7492的控制、负延迟技术和内外触发可编程控制技术,并运用滑动滤波的方法对采集数据进行了高频噪声的滤除操作。通过对触发模块的触发方式和触发阈值的设定,可以满足大部分测试环境的测试需求。在数据压缩部分,首先介绍了压缩相关的基础理论,在分析对比几种无损压缩算法的优缺点后,选择出易于硬件实现的无损压缩算法——LZW压缩算法。接着分别从软硬件两个角度来分析算法的具体实现过程。在介绍软件实现的过程中,介绍了LZW算法中的两个关键技术,即字典更新策略和字典内容快速查找技术的具体实现方法,为硬件的实现提供了很好建模作用。硬件实现部分则着重介绍了算法中的一些重要模块的设计细节和最终的设计结果,同时也介绍了些辅助模块的设计结果。最后是用测试板搭建了一个测试平台分别从功能和性能两个方面来验证系统。大量的实验表明,系统工作稳定,压缩速度快(8MByte/s以上)、对实测数据的压缩效果好(25%左右)、工作时电流小(37mA),实现了速度、性能、功耗三者的统一,达到了最初的设计目的。
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