LZW控制器的FPGA设计

摘 要 针对声波测井采集数据量较大给实时传输造成较大困难的现状，本文提出了一种基于lzw的无损压缩算法的PFGA实现方案。根据声波测井数据采集电路的特点，本文设计了声波测井的LZW硬件压缩系统框图和控制器的控制时序，采用Verilog HDL对核心控制单元进行了模块化描述和详细设计。并在QUARTUS II平台上用EP2C5Q208C8N进行了时序仿真验证，结果表明：该控制器设计是有效的，并具有较好的移植性和可扩展性。

关键词 无损压缩 LZW算法 fpga

中图分类号：TN702 文献标识码：A

0 前言

随着技术的不断进步，人类不断寻求探测更加丰富的物理信息，使得数据采集的信息量不断膨胀，从而导致实时传输和存储越来越困难。如用声波测井技术探测地理信息，不断增加的声波测井数据使得遥传系统难以完成实时传输，为此需要对其进行压缩。数据压缩分为有损压缩和无损压缩。有损压缩是指对数据进行重构后，利用该重构数据还原出来的数据与原来的数据有所不同，是一种对原始资料的近似表达，优点就是可以获得较大的压缩比。而无损压缩是指对原始数据进行重构后，利用重构后的数据还原出来的数据与原来的数据完全相同，其缺点是压缩比不高。常用的无损压缩算法有霍夫曼（Huffman）算法、算术编码算法、游程编码算法和LZW（Lenpel-Ziv & Welch）压缩算法。

目前，无损压缩有软件和硬件两种实现方案，软件方案的缺点是需要大量的存储空间和消耗过多的CPU资源，速度较慢；而硬件方案因其压缩速度快处理能力强而逐步获得重视，尤其是FPGA硬件的出现，为硬件压缩提供了较好的物质条件。无损压缩要获得较大的压缩比，需要根据信源的统计特性进行相应的压缩。而声波测井数据的统计特征随地理环境的不同而不同，无法构造一个最佳的无损硬件压缩方案；并且声波测井仪器的软件数据处理能力和存储空间非常有限，要将大量的声波测井数据采用软件压缩，然后再传输是至井口仪器，这将无法保证数据传输的实时性。而LZW算法通过对输入码流进行分析，充分利用了相邻输入数据之间的相关性，对于数据流中连续重复出现的字节和字串具有很高的压缩比，实时性好；并且在解压过程中逐步建立与压缩时完全相同的字典，是一种解码速度与压缩性能综合指标较好的一种压缩算法。

因此，本文将LZW无损压缩方法，根据声波测井数据的特点，设计一种FPGA硬件实现方案，并且重点设计了LZW的控制器时序流程，并对其进行Verilog HDL设计与时序仿真验证。

1 LZW基本算法

LZW是一种基于字典的压缩算法。LZW编码的原理是：设字典中有n个基本字符，编码器逐个输入字符K并累积成一个字符串C。每输入一个字符就被串接在C后面形成新的字符串C，然后在字典中查找C，只要在字典（串表Table）中找到C，该过程就继续进行；直到添加下一个字符K导致搜索失败，字符串C在Table中，而CK（字符K串接在C后）却不在，这时编码器将执行：（1）输出指向当前字符串C的字典编码值；（2）在下一个可用的字典词条中，存储字符串CK，其对应的编码值为n+1：（3）把字符串C预置为K。LZW的编码流程图如图1所示。

2 LZW的硬件框图

控制模块主要完成时钟的产生，为各功能模块提供时钟，并初始化各模块的使能端信号；根据压缩器外部的指令信息，产生各模块控制信号，使系统各模块协调工作。当外部复位信号有效时，控制器将对各模块进行复位操作。当外部压缩使能信号有效时，控制模块将同时对数据输入FIFO、字典模块及数据输出模块分别进行控制。

其中读时钟受到两个信号的控制，一个是读使能信号，另外一个是压缩模块给出的数据压缩成功信号。由于压缩模块的压缩速度非常快，在读使能信号的一个时钟之内便能完成，在正常压缩情况下，读使能信号时钟周期能够与压缩成功信号的时钟相匹配。当字典在处理冲突的过程中，考虑到处理冲突的时间长短不确定，此时必须关闭读信号时钟的计数器，以免影响正常的计数。

通过QUARTUS II的时序分析，LZW控制模块的最高工作频率最差为381MHz。

4 结论

本文所设计的无损压缩系统经过的时序仿真和验证，可以发现：软件设计有较强的可移植性，功能易于扩展。其时序分析结果表明用FPGA实现声波测井数据的LZW实时无损压缩是可以满足该应用需求的。关于控制器对FIFO和输出模块的控制时序设计将另文介绍。

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