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測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)無損壓縮研討和實(shí)踐論文
隨著新型井下儀器的不斷涌現(xiàn)及多種井下儀器的組合應(yīng)用，測(cè)井信息通道也不斷增加，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大。由于數(shù)據(jù)傳輸率與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存取以及井下系統(tǒng)的功耗是矛盾的，要實(shí)現(xiàn)井下幾千米的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，就必須盡量提高數(shù)據(jù)傳輸率，但隨著傳輸率的提高，信號(hào)的衰減和系統(tǒng)功耗也隨之增加。為了滿足新型測(cè)井系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�，本系統(tǒng)采用了較高的傳輸率，測(cè)井時(shí)必須把采集的井下信息可靠而實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛妫捎跍y(cè)井信息傳輸通道的傳輸距離遠(yuǎn)，無線傳輸速度慢等特性的限制，解決好傳輸率的問題并非易事。因此，為了滿足井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，便通過將井下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后再進(jìn)行傳輸，這樣就間接地提高了傳輸率。
本文以研究LzW算法為基礎(chǔ)，以FPGA為硬件平臺(tái)，以解決軟件壓縮解壓所存在的速度慢、占用內(nèi)存多的缺點(diǎn)。即:a.提高壓縮解壓速度，有利于實(shí)時(shí)性處理;b.節(jié)省寶貴的CPU資源，從而取得非常好的效果匡3〕。用不同的無損壓縮方法對(duì)數(shù)據(jù)(b)進(jìn)行處理，從圖2可以看出，與RLE[4]、Huffinan算法[5]、幀相關(guān)壓縮[6]相比，LZW的壓縮效果明顯高于其他算法，尤其是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通用的(未考慮測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)特征)RLE、Huffillan算法。幾種無損壓縮結(jié)果的比較信息頭一數(shù)據(jù)區(qū){CRC校驗(yàn)位1FAAF圖1觀叮井?dāng)?shù)據(jù)格式測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是以區(qū)為單位連續(xù)讀取的，每個(gè)區(qū)有258個(gè)字節(jié)組成，如圖1所示，每個(gè)區(qū)有四部分組成:信息頭(6個(gè)Bytes)、數(shù)據(jù)區(qū)(246個(gè)字節(jié))、CRC校驗(yàn)位(4個(gè)Bytes)、信息尾(FAAF)。為了獲得更好的壓縮效果，將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)分為三部分:數(shù)據(jù)(a)包括信息頭、FAAF，數(shù)據(jù)(b)包括數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)(c)包括cRc校驗(yàn)位。由于數(shù)據(jù)(a)是固定的，用特殊的代碼(100H)表示即可。由于數(shù)據(jù)(c)位數(shù)相對(duì)較少，故主要對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行處理。從圖3可以看出，隨著數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的增多，數(shù)據(jù)的重復(fù)率越高，壓縮效果越好。但是，壓縮效果不能無限制地提高，這是因?yàn)殡S著測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)差別的增大，數(shù)據(jù)重復(fù)率降低，壓縮效果受到限制。因此，根據(jù)實(shí)際情況確定合適的字典大小是非常關(guān)鍵的，本文采用兩個(gè)字典輪流工作，取得了很好的效果。另外，LZW算法的實(shí)時(shí)性較好，運(yùn)算快，易于硬件的實(shí)現(xiàn)，這也正是選擇該算法的重要原因。
2LZW算法的過程描述LZW算法有三個(gè)重要的對(duì)象:輸入數(shù)據(jù)流、輸出編碼流和一張用于編碼的字典。輸入數(shù)據(jù)流是指被壓縮的數(shù)據(jù);輸出編碼流是指壓縮后輸出的代碼流;字典存儲(chǔ)的是字符串及其索引號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無損壓縮。其壓縮算法的過程見文獻(xiàn)【7]。該算法的基本思想是用簡(jiǎn)單的代碼來代替復(fù)雜的字符串以實(shí)現(xiàn)壓縮，在壓縮過程中自適應(yīng)建立一個(gè)字典，反應(yīng)了字符串和代碼的對(duì)照關(guān)系，通過查詢字典來確定字符串壓縮代碼的輸出。LZW編碼能夠有效地利用重復(fù)出現(xiàn)的字符，只需掃描一次，無需有關(guān)輸入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量的先驗(yàn)信息，其運(yùn)算時(shí)間正比于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。圖4是對(duì)數(shù)據(jù)(b)進(jìn)行編碼的過程，如果字典中沒有當(dāng)前組成的字符串，則給該字符串編碼，并且放入字典中，否則，繼續(xù)讀取下一個(gè)字符組成新的字符串，如此循環(huán)�？梢钥闯�，隨著輸入的增多，字典的存儲(chǔ)也會(huì)增多，每個(gè)存儲(chǔ)地址代表更長(zhǎng)的字符串，編碼效果也會(huì)越來越好。7只吞二奮591硯種170451556眾16習(xí)4多87t4U苦4人凌56卜礴9子4子〕2矛八口6封吞〔一14月5(1044公129盆O嗚65t78455717B今，17臼38t7日_.{尸圖5編碼輸出圖5是對(duì)數(shù)據(jù)(b)編碼后的數(shù)據(jù)輸出，如果字典中沒有當(dāng)前組成的字符串，則將前綴輸出，否則，不進(jìn)行任何輸出，繼續(xù)讀取字符，組成新的字符串，如此循環(huán)。3硬件數(shù)據(jù)壓縮算法的基本原理及過程本文采用FPGA[8]實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無損壓縮。以Altera公司的Cyclonexl系列中的EPZe5T一1418作為目標(biāo)器件，經(jīng)過Quartusll軟件編譯綜合，ModelsimSE仿真，得到工程的綜合報(bào)告和仿真情況。圖6是整個(gè)工程的FPGA資源占用情況。由綜合結(jié)果得到，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的最高工作頻率是134MHz，平均每12個(gè)周期壓縮一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入位寬為shits，所以整個(gè)系統(tǒng)能夠有效處理的能力為:89.3M/S。
其中，使用Verilog語言進(jìn)行功能描述設(shè)計(jì)的FPGA芯片是整個(gè)算法的核心部分。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，井下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過一些預(yù)處理(去冗余:將幀頭去陶后傳送給FpG入進(jìn)行存儲(chǔ)、壓縮處理等操作。綜合該算法和FPGA的特點(diǎn)，提高算法的壓縮性能與FPGA的資源利用率，做出了如下處理。
(l)為提高測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮率，對(duì)數(shù)據(jù)(c)先進(jìn)行差值處理后，再進(jìn)行LZW壓縮。
(2)為保證異步時(shí)鐘域數(shù)據(jù)同步，采用FPG內(nèi)的雙口RAM構(gòu)成一個(gè)FIFO對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。
(3)對(duì)于HASH地址查找[9]，難免會(huì)有沖突發(fā)生，解決該問題的途徑有兩種:a.改變HASH函數(shù);b.記錄法:將每個(gè)字符串是否被用過、被哪個(gè)段用過記錄下來，當(dāng)然這樣會(huì)占用額外內(nèi)存，但是用這點(diǎn)內(nèi)存換取時(shí)間也是非常值得的。
(4)字典存儲(chǔ)器模塊。字典的一個(gè)詞條包括字典編碼、前綴、后綴(當(dāng)前字節(jié))。每個(gè)詞條的寬度為咒位(字典編碼12位，前綴12位，當(dāng)前字節(jié)8位)。
(5)由于數(shù)據(jù)具有局部平穩(wěn)性，隨著數(shù)據(jù)的增多，數(shù)據(jù)間的相關(guān)性降低，影響壓縮效率。可采用雙字典輪流工作機(jī)制，使字典適應(yīng)于數(shù)據(jù)流的輸入。圖8所示是數(shù)據(jù)(b)的仿真截圖，圖中的code是字典編碼，dataout是12位的輸出，對(duì)照?qǐng)D4、圖5對(duì)應(yīng)的理論壓縮過程，可見LZW模塊仿真的結(jié)果無誤。3硬件數(shù)據(jù)壓縮算法的基本原理及過程本文采用FPGA[8]實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無損壓縮。以Altera公司的Cyclonexl系列中的EPZe5T一1418作為目標(biāo)器件，經(jīng)過Quartusll軟件編譯綜合，ModelsimSE仿真，得到工程的綜合報(bào)告和仿真情況。圖6是整個(gè)工程的FPGA資源占用情況。4結(jié)語本文用硬件方法實(shí)現(xiàn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無損壓縮，能夠?qū)⒏咚傩盘?hào)變成緩變信號(hào)進(jìn)行傳輸，對(duì)于提高通信的信道容量，提高數(shù)據(jù)的可靠性具有重要的意義。
通過實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)的壓縮比能達(dá)到19%左右，這大大提高了無線測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)男省１炯夹g(shù)對(duì)于石油探測(cè)數(shù)據(jù)的采集具有重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文創(chuàng)新點(diǎn):與其他同類文章相比，本文將LZW壓縮算法應(yīng)用于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)壓縮處理，并通過FPGA對(duì)LZW算法進(jìn)行完善，充分利用硬件資源，避免了在處理過程中有可能會(huì)出現(xiàn)的遺漏采樣點(diǎn)情況。
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