车载数据记录压缩算法的研究

    摘要：提出了缓变系统信息和实时测控数据信息分区存储的方案，对系统信息采用了定长非压缩算法，同时对数据信息采用了非定长的行间压缩算法，并将此方案成功地运用在“机车随车质量状态故障诊断记录装置”中，满足了装置利用1024KBYTE的存储空间，以16位精度每隔5S记录一次32路实时参数变化以及大量系统信息，且连续记录时间大于50小时的要求。

    关键词：压缩算法 数据记录 车载

前言

    随着大容量存储技术的发展，数据记录和转储被广泛应用于机电测控系统、智能仪器仪表等单片机系统之中，通过数据记录可对系统进行状态监测、故障诊断、安全监控、事故分析等。在“机车随车质量状态故障诊断记录装置”的设计中，采用两片共计1024KBYTE的FLASHRAM 28SF040，对机车运行中的司机号、车号、车次号、起始站、终止站、牵引重量、出退勤时间等缓变信息的记录，以及机车质量状态故障监测诊断的32路实时数据信息以16位精度每5s的实时记录。为了满足连续记录50小时以上的实际需求，提出了缓变系统信息和实时数据信息分区存储的方案，对系统信息采用了定长非压缩算法，对实时数据信息采用了非定长的行间压缩算法。并对数据记录信息进行了长度校核，同时对数据进行了CRC校验。

车载数据记录内容及各参数记录频度分析

    机车随车质量状态诊断记录仪需要记录的运行信息内容包括：车号（0～9999）、司机代码号（0～99999）、车次号（0～99999）、起始站代码（0～999）、终止站代码（0～999）、牵引重量（0～9999），共计14BYTE。

    实时状态参数包括：年、月、日、时、分、秒，6BYTE，以及柴油机转速、主电流、六个分电流、电压、轴温、油水温度、总管温度、增压压力、进回油（油耗）、马达转速、火情报警等32路实时参数，各2BYTE。共计：6BYTE+2×32BYTE=70BYTE。

    机车运行信息，其记录的频度是非常低的，大约每10小时记录一次，记录的条件为：系统上电、司机参数输入，即输入新的车号、司机代码等。

    机车实时状态参数，其记录的频度为每5s全部记录一次。但32路实时参数中，每次最多只有四分之一，即8个左右的量满足记录变化条件，且进回油参数必须每5S记录一次。

几种常用数据记录算法分析

    非分区非压缩算法

    通过以上的分析，如果我们将全部参数不采用任何压缩记录算法，则每5s记录的数据长度将达：6BYTE+14BYTE+64BYTE＝84BYTE。这样全部1024KBYTE的记录容量只能记录：

    1024 KBYTE ÷84 BYTE＝1024×1024÷84 ＝12483 次

    记录时间为：

    12483×5s=62415s=1040 min = 17 h

    分区非压缩算法

    将系统1024KBYTE的存储空间分成：0～63页，每页16KBYTE的分区存储格式。将机车运行信息14BYTE和上电时间或司机输入参数时间以及其他系统参数，如报警门限、标定系数、DS1820/B20传感器代码等记录在系统的0～63页的0页，共计16KBYTE的空间，因为系统信息只有在上电、复位和参数输入时才需要记录，所以16KBYTE的系统记录区无需任何压缩算法将足以满足系统的使用。

    系统分区的0页区为系统信息存储区，1～63页区为数据信息存储区，如果数据记录不采用压缩的算法，则每5s需要70BYTE的存储空间，这样存储次数为：

    63 × 16 KBYTE ÷ 70 BYTE ＝14745 次

    记录时间为：

    14745 × 5s ＝ 73725 s ＝ 20 小时

    分区压缩算法

    采用和分区非压缩算法一样的分区方法，即将系统1024KBYTE的空间分区为0～63页区，每页区16KBYTE，第0页区用于存储系统信息，第1～63页区存储数据信息。

    通过分区非压缩算法的分析，系统存储区的16KBYTE足以满足需要，关键在于数据信息的存储算法，对图2和图3的分析，可以分析出如下信息：

    ①、系统信息的记录和数据信息的记录均需要记录时间信息；

    ②、数据信息记录的时间信息在系统信息不变的情况下，记录时间间隔固定为5s；

    ③、数据信息记录参数在数据不变的情况下重复记录相同的数值；

    通过以上的分析，我们可以取消数据信息记录中的时间信息，取消之后，只需要在记录系统信息的同时，在系统记录中记录下数据信息的起始页区和起始地址，这样我们就可以通过系统信息定位数据信息的起始记录位置和时间，以后每条记录的时间间隔5s。

    通过一个32位的标记信息，标记每个数据信息的变化与否，如果某一数据没有发生变化，标记为0，变化则标记为1，同时记录下变化后的数值。

    如图5所示，如D0代表柴油机转速，当D0=0时，表示当前记录中的柴油机转速和上次的相同，此次无需记录柴油机转速值，D0=1时，表示柴油机转速发生了变化，则需要记录一次柴油机转速。

    例如：司机号为1234号的司机，2001年2月12日11时54分30秒上车，系统记录区中记录一条系统信息，其中记录下此时数据记录区中的起始页区号（1BYTE，第1～63个16KBYTE，假设为第30页）和起始地址（2BYTE，在当前页区16KBYTE的地址，假设起始地址为2E5FH）。他出乘时的第一条记录从第30页的2E5FH开始必须记录全部32路参数的初始值，其32路的标记单位全部为1。5s后，第1号参数和第5、7号参数发生了变化需要记录，则记录标记中只有的D1=1、D5=1、D7=1，其它各位为0，随后依次记录第1号参数和第5、7号参数各2BYTE的数值。记录格式如图6所示。

分区压缩算法的解压缩算法

    装置通过数据转储进入PC机数据分析处理系统后，根据分区压缩算法，分析系统首先在第0页中，依次以23BYTE为一条系统记录，分别读取各司机出乘时的起始时间，系统信息，以及对应数据记录区的起始页区和起始地址，然后到对应位置读取第一条数据信息，首先读取2BYTE的FFFFH记录块首，然后第1条信息中4BYTE的数据变化标记信息判定当前记录中对应参数的变化记录情况，并在标记之后依次读取对应变化参数的各2BYTE，接着读取第1记录的CRC校验码1BYTE。

    依照以上的方法，依次读取数据记录区的第2条数据记录，没有变化的参数值依然等于第1条记录对应的参数值。第1条记录的记录时间为系统记录中的时间，第2条记录的时间＝第1记录时间＋5s，依次类推分别读取以下数据记录，并计算出记录的时间。

    数据记录长度校验

    在数据记录中增加了固定的2BYTE的FFFFH，同时在参数记录中限定记录的参数值不大于0FFFFH，这样当读取4BYTE参数变化标记，假定有n个参数变化记录，则在4BYTE的参数变化标记之后应该正好有n个非0FFFFH的参数值，多于n或小于n都认为此记录有误，此记录的全部参数和上一条记录相同，时间＋5s。

    数据记录CRC校验

    数据压缩记录时，从0FFFFH块首开始到最后一个变化参数的记录数据采用8BIT的CRC校验算法。如图7所示。

    CRC=X8+X5+X4+1

结语

    基于分区压缩算法，在机车随车质量状态诊断记录装置中，数据记录区无需记录时间，记录参数也采用了压缩记录的算法，在32个参数中每5s平均最多只有8个参数发生变化需要记录则记录，则平均每条数据记录的长度为23BYTE，因此，1～63页的数据记录可以存储的记录条数为：

    63 × 16 KBYTE ÷ 23 BYTE ＝44877 次

    连续记录时间为：

    44877 × 5s ＝ 224385 s ＝ 62 小时

    连续记录62小时，满足了装置连续记录50小时的要求，且系统采用了记录长度校核算法以及较为严格的CRC校验算法，提高了装置记录数据的可靠性，该装置已通过郑州铁路局技术鉴定，该装置在一年半的装车实际运用中，记录可靠，由于机车每天实际运行时间小于15小时，且每条记录平均变化数小于假定的8个，因此，实际记录时间在6～7天左右。