基于LZW算法和FPGA的验光仪数据实时无损压缩系统

　　人眼作为一种生物光学系统，因人而异具有不同屈光力，表现为正视、近视、远视、散光等不同状态。为了了解人眼的屈光状态，决定所需配镜的参数，所进行的一系列检查，称为屈光检查，又叫验光。　验光所用的仪器称为验光仪。验光仪要处理大量的数据，这就涉及到数据存储的问题，鉴于成本考虑，要对数据进行压缩存储[1]。

　　目前国际上常用的数据无损压缩算法有：LZ系列算法、Huffman 编码算法、游程编码算法、算术编码等。 LZ 系列算法一经问世，其优越性便很快就在数据压缩领域里体现了出来，使用LZ 系列算法的工具软件数量呈爆炸式增长 。 UNIX系统上最先出现了使用LZW 算法的压缩程序， 该程序很快成为了UNIX 世界的压缩标准。 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，对于存在大量局部相同性或相似性的数据， 采用 LZW 算法可以取得令人相当满意的压缩率;而且LZW 算法压缩 、解压速度快 ，所占存储空间较小，所以是一种解码速度与压缩性能综合指标相当好的一种压缩算法[2]。

　　相对于DSP、单片机而言 ，FPGA 的速度更快 ，控制更加灵活。和CPLD 相比，FPGA 更适合实现规模较大 、逻辑复杂度高、寄存器资源使用较多的设计，而且FPGA 逻辑功能强大，功耗低，通用性好，适应性强。 使用 FPGA 可以非常大的减小硬件规模，降低设计成本 ，缩短设计周期 ，提高系统的可靠性、灵活性和保密性。 所以，本系统以单片 PGA 为核心器件，采用 LZW 算法。

　　1 功能模块的划分

　　根据LZW 算法基本原理可知 ， 要完成实时压缩 ，FPGA就要同时处理输入码流、压缩过程和输出码流。FPGA 内部功能模块划分如图1 所示。

　　1.1 输入数据缓存模块

　　所有数据处理和传输工作全由FPGA 完成 ，为了保证异步 时 钟 域 数 据 同 步 ， 本 设 计 使 用 FPGA 片 内 的 宏 单 元lpm-ram-dp(双口 RAM)构成一个 FIFO 对输入数据进行缓存[3]。由于ADC 转换后的数据是 12 位， 所以此 FIFO 的数据宽度设 计 为12 位 ， 容 量 为 1 K， 当 读 地 址 等 于 写 地 址 时 ，BUSY=‘0’，以 BUSY 信号来防止溢出，如图 2 所示。

1.2 字典存储模块

　　1)字典的设计 字典存储器需要存放字典项的三部分内容：字典项编码(codevalue)、前缀码(precode)、当前码(appendcode)。存储器的容量设计为1 K，则其地址宽度相应为10 位 ，当前码为 12 位 ，前缀码为 13 位 ，字典项编码也为13 位，则字典存储器总数据宽度为 38 位[4]。字典模型为：