CN112525450A - 一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法 - Google Patents

一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，属于数据压缩算法和数据传输技术领域。该方法采用的硬件包括传感器、采集器、数据服务中心和DVD光盘；该方法实现的步骤如下：首先采集卡将传感器中原始的电压值数据传到采集卡的缓存中，通过压缩算法模块将电压值数据分组压缩成数据包存到采集器的存储模块中；其次将数据压缩包刻录到DVD光盘中；然后DVD光盘中的数据压缩包拷贝到数据服务中心的存储模块中；最后当使用者需要源数据时再由数据服务中心的解压算法模块将数据解出。本发明通过将振动数据进行无损压缩，以此来减少存储时的内存的占用率，从而解决大量数据存储和转存的问题。

Description

一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法
技术领域
本发明涉及一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，属于数据压缩算法和数据存储技术领域。
背景技术
可靠性试验是可靠性工作的一个重要环节，在可靠性试验中有很重要的一部分就是振动测试。该试验的一个重要特点就是长时间连续产生大量的数据，但采集器的内存是很有限的。
振动测试实践中采集振动数据使用的数据为64位双精度浮点型数据，单个数据占内存8Bytes。通常一台采集器的传感器个数是64个采样频率是5120HZ，那么单个传感器在1秒内产生的数据就达到40.96KB，所以单个采集器1秒的数据量要达到2.62MB。
目前常用的解决数据大量存储的方法有增加内存、及时整理数据和DVD光盘转移这三种方法。第一种和第三种方法的成本较高，第二种方法需要额外消耗人力，不利于试验的自动化。
在实际操作中为了保密的需要通常使用DVD光盘作为中间介质来拷贝数据并完成数据的转移，市场上普通的DVD光盘上行和下行平均速度大约分别为4.14MB/s和8.23MB/s，因此拷贝数据耗费时间较长，再加上DVD盘的容量有限，使用的盘的数量越多盘面越容易被划伤而导致数据受损。因此降低测试数据的内存占用率迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，通过将振动数据进行无损压缩，以此来减少存储时的内存的占用率，从而解决大量数据存储和转存的问题，同时还不引起试验成本的增加。
一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，该方法采用的硬件包括传感器、采集器、数据服务中心和DVD光盘；
所述采集器包括采集卡、存储模块和压缩算法模块；
所述数据服务中心包括存储模块和解压缩算法模块；
该方法实现的步骤如下：
步骤一：所述采集卡将传感器中原始的电压值数据传到采集卡的缓存中，通过压缩算法模块将电压值数据分组压缩成数据包存到采集器的存储模块中；
步骤二：将数据压缩包刻录到DVD光盘中；
步骤三：所述DVD光盘中的数据压缩包拷贝到数据服务中心的存储模块中；
步骤四：所述数据服务中心的解压缩算法模块解出源数据后存入数据库。
进一步地，所述压缩算法模块采用两级压缩；第一级压缩是将这组原始数据进行打包，对于每一个原始数据都使用它的模量与本组数据中的最大模量的比值进行记录，占用的bit位数须等同于采集器分辨率；并将数据的符号位直接去掉；第二级压缩是将第一级压缩后的数据包进行通用字符压缩方法压缩。
进一步地，所述解压缩模块将所述压缩算法打包好的数据进行解析还原，先按照所述压缩算法中的通用压缩算法解压缩，还原为第一级压缩的数据包，解出该组数据中的最大值、灵敏度、首值符号和数据量，再根据数据量和灵敏度取出所有记录的比值数值，再使用这些比值数值和最大值还原原始数据的模量，最后将所有数据的符号根据首值符号和符号交变性质依次求出所有数据的符号，完成所有数据解析。
有益效果：
1、本发明根据采集器灵敏度实现了数据无损压缩，压缩算法的压缩率与采集卡灵敏度有关，对于确定的灵敏度则会有确定的压缩率，与数据本身无关，因此压缩率稳定。
2、本发明针对振动数据连续交变的特点进行特定数据解压缩，压缩算法专门针对振动数据进行的计算，与通用算法的核心思想有着本质的不同，因此在本算法压缩完毕后可以再进行通用压缩算法的压缩，从而得到更高的压缩率。
3、本发明的压缩模块由两级压缩构成。第一级压缩就是将这组原始数据进行打包；对于每一个所述的原始数据都使用它的模量与本组数据中的最大模量的比值进行记录，占用的bit位数须等同于采集器分辨率；由于原始数据始终具有符号交变特性，所以就将它的符号位直接去掉，这样对于每一个所述原始数据又可以减少一个bit位，将来在解压缩算法时根据交变关系还原符号便可。第二级压缩是将第一级压缩后的数据包进行通用字符压缩方法压缩，例如huffman编码压缩法；虽然压缩的目标是浮点类型的数值，但是在内存中仍然可以看作是字符的形式，因此使用通用字符压缩方法可以达到更大的压缩比。
附图说明
图1是设备振动数据图；
图2是本发明的硬件组成原理图；
图3是压缩算法的数据结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，该方法针对的对象是如图1所示的振动数据，图1是一段加速度在x方向的分量关于时间的函数图像；图像清晰的揭示了在振动测试中振动加速度在任意方向的分量与时间的关系具有正负交变的特性。
如附图2所示，本发明的方法采用的硬件包括传感器、采集器、数据服务中心和DVD光盘；其中，采集器包括采集卡、存储模块和压缩算法模块；数据服务中心包括存储模块和解压缩算法模块。图的上边为采集器，采集器由采集卡负责采集电压数据并转化为加速度值；采集器的处理器将加速度数据通过压缩算法压缩然后存入存储区域；随着时间的推移，存储区域会有数据堆积，需要转移数据，此时出于数据安全性考虑，使用DVD作为转移介质。图的下边为数据服务中心，服务中心接收到DVD拷贝的数据后，立即存储到存储区域等待使用；每当需要进行数据查询、数据分析和其他对数据的操作时，就由数据服务中心的处理器对压缩数据进行解压还原。
压缩算法模块的功能是对给定的一组数据进行压缩打包，压缩算法模块采用两级压缩，第一级压缩就是将这组原始数据进行打包；对于每一个所述的原始数据都使用它的模量与本组数据中的最大模量的比值进行记录，占用的bit位数须等同于采集器分辨率；由于原始数据始终具有符号交变特性，所以就将它的符号位直接去掉，这样对于每一个所述原始数据又可以减少一个bit位，将来在解压缩算法时根据交变关系还原符号便可。第二级压缩是将第一级压缩后的数据包进行通用字符压缩方法压缩，例如huffman编码压缩法。
图3中所示就是压缩算法一级压缩时使用的数据结构。Head是压缩包的识别码，建议为0x0A 0x55也可以是别的唯一值；Sensitivity表示灵敏度，取值为0x01、0x02,对应灵敏度16bit、32bit；First Sign表示给定一组数据中的第一个值的符号，取值为0x00、0x01，分别对应‘+’、‘-’符号；Abs Max表示给定一组数据中模量最大值；数据总量表示给定的一组数据的数量；Data0、Data1……表示对给定一组数据的存储。
压缩算法模块实现的步骤包括：
第一步：写入包头信息(0x0A 0x55)，用来识别数据包的起始位置；
第二步：写入灵敏度，灵敏度要根据采集卡的灵敏度写入，一般是16bit或32bit，在这里我们用0x01表示16bit，0x02表示32bit，下文中用s表示灵敏度bit位数；
第三步：写入首值符号，取源数据的第一个数的符号位直接写入便可；0x00表示‘+’，0x01表示‘-’；
第四步：写入绝对值的最大值；遍历源数据的绝对值计算出最大值以8字节Double类型写入，在下文中用|A|max表示；
第五步：写入数据量；遍历源数据，统计出源数据的个数N写入；
第六步：写入数据；取源数据的第一个数D0，求出n0＝|D0|/|A|max*2s的值；然后将n0的值写入Data0，依此方式求出n1＝|D1|/|A|max*2s,然后写入Data1；依次类推，将数据全部写入；
第七步：将打包好的数据作为输入，按照字符再使用huffman编码进行压缩，生成最终压缩包。
解压缩算法模块的功能是将压缩算法打包好的数据进行解析还原。先按照压缩算法模块中的通用压缩算法解压缩，还原为第一级压缩的数据包，然后解出一些必要的信息：该组数据中的最大值、灵敏度、首值符号和数据量，再然后根据数据量和灵敏度取出所有记录的比值数值，再使用这些比值数值和最大值还原原始数据的模量，最后将所有数据的符号根据首值符号和符号交变性质依次求出所有数据的符号，到此，所有数据解析完成。
假设变量即为终止，重新假设输入数据包为DMsrc；先按照huffman编码进行解压缩，得到压缩算法模块中一级压缩后的数据包DM；再假设解析后的第一个数为D0，第二个数为D1，……Dn；解析后的每个数的左导数为Dlefti，右导数值为Drighti其中i＝0，1，2，……，n。
解压缩算法模块实现的步骤包括：
第一步：先取两个字节，判断其是否为0x0A 0x55，如果判断通过则表示DM是本算法的数据包，可以进行解析，否则DM不是本算法数据包，不予解析。
第二步：接着取一字节，解析为8bit的short类型，设为sensi，则可得每个数据的长度是s＝sensi*16；
第三步：接着再取一字节，解析为8bit的short类型，设为sn，根据sn的值我们确定首位符号sign，当sn＝0x00时sign＝1，当sn＝0x01时，sign＝-1；
第四步：接着再取八字节，解析为64bit的double类型，设为|A|max；
第五步：接着再取八字节，解析为64bit的long long类型，设为N；
第六步：接着取s个bit，按照无符号的整型的方式解析(但不限于32位bit)，设为ds0；根据压缩算法的方式推算得出D0＝sign*|A|max*ds0/2s；
第七步：接着再取s个bit，仍然按照无符号的整型方式解析，设为ds1；根据压缩算法的方式解出|D1|＝|A|max*ds1/2s后再求符号；依次推算并解出往后的所有值。
其中，再求符号的过程包括：
第a)步，求出该点处的左导数Dleft1＝|D1|-|D0|，右导数Dright1＝|D2|-|D1|；
第b)步，当Dleft1<＝0且Dright1>＝0时，D1到D2处符号发生变化，对sign进行变号运算sign＝-sign；其他情况时，sign不变；
第c)步，求出D1＝sign*|D1|。
在实际的物体和工程结构中，其质量和弹性是连续分布的，***有3个自由度，在工程测试分析中通常可以简化为多自由度振动***。根据牛顿第二定律可以得出具有6个自由度的无阻尼***的自由振动的微分方程具有以下形式：
Figure BDA0002742081240000051
其中：M为***的质量矩阵，K为刚度矩阵，x为位移矢量，
Figure BDA0002742081240000052
是加速度矢量；根据微分方程理论，它的通解满足的形式为：
Figure BDA0002742081240000053
从通解可以看出位移矢量是多个正弦函数的叠加。x(t)是连续可导函数,并且它的二阶导数与x(t)有相同的形式。从形式上看该振动的加速度-时间的函数是连续可导的，也就是说振动传感器的信号源是关于时间的连续可导函数。根据连续函数的性质可知：该函数具有对于每个点左导数都与有倒数相等。
在压缩算法结束时，函数x(t)被压缩算法模块处理后变成了|x(t)|，但是函数|x(t)|并不是连续函数，那么在不连续的点处即为符号交变的位置；考虑到实际的值为皆为离散值，在x(t)中函数上的每一点的左导数和右导数也不能严格相等，他们的差距取决于采样的密集程度；但是在采样频率足够高的情况下，|x(t)|的左导数<0则表示该点的左边值是下降的，同时|x(t)|在该点处的右导数>＝0则表明右侧是不变或者增长的，那么该点必然是不连续的，也就是说此点为原函数x(t)符号变化的点。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，其特征在于，该方法采用的硬件包括传感器、采集器、数据服务中心和DVD光盘；
所述采集器包括采集卡、存储模块和压缩算法模块；
所述数据服务中心包括存储模块和解压缩算法模块；
该方法实现的步骤如下：
步骤一：所述采集卡将传感器中原始的电压值数据传到采集卡的缓存中，通过压缩算法模块将电压值数据分组压缩成数据包存到采集器的存储模块中；
步骤二：将数据压缩包刻录到DVD光盘中；
步骤三：所述DVD光盘中的数据压缩包拷贝到数据服务中心的存储模块中；
步骤四：所述数据服务中心的解压缩算法模块解出源数据后存入数据库。
2.如权利要求1所述的降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，其特征在于，所述压缩算法模块采用两级压缩；第一级压缩是将这组原始数据进行打包，对于每一个原始数据都使用它的模量与本组数据中的最大模量的比值进行记录，占用的bit位数须等同于采集器分辨率；并将数据的符号位直接去掉；第二级压缩是将第一级压缩后的数据包进行通用字符压缩方法压缩。
3.如权利要求2所述的降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，其特征在于，所述压缩算法模块实现的步骤包括：
第一步：写入包头信息(0x0A 0x55)，用来识别数据包的起始位置；
第二步：写入灵敏度，灵敏度要根据采集卡的灵敏度写入，一般是16bit或32bit，在这里我们用0x01表示16bit，0x02表示32bit，下文中用s表示灵敏度bit位数；
第三步：写入首值符号，取源数据的第一个数的符号位直接写入便可；0x00表示‘+’，0x01表示‘-’；
第四步：写入绝对值的最大值；遍历源数据的绝对值计算出最大值以8字节Double类型写入，在下文中用|A|max表示；
第五步：写入数据量；遍历源数据，统计出源数据的个数N写入；
第六步：写入数据；取源数据的第一个数D0，求出n0＝|D0|/|A|max*2s的值；然后将n0的值写入Data0，依此方式求出n1＝|D1|/|A|max*2s,然后写入Data1；依次类推，将数据全部写入；
第七步：将打包好的数据作为输入，按照字符再使用huffman编码进行压缩，生成最终压缩包。
4.如权利要求3所述的降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，其特征在于，所述解压缩模块将所述压缩算法打包好的数据进行解析还原，先按照所述压缩算法中的通用压缩算法解压缩，还原为第一级压缩的数据包，解出该组数据中的最大值、灵敏度、首值符号和数据量，再根据数据量和灵敏度取出所有记录的比值数值，再使用这些比值数值和最大值还原原始数据的模量，最后将所有数据的符号根据首值符号和符号交变性质依次求出所有数据的符号，完成所有数据解析。
5.如权利要求4所述的降低可靠性测试中振动数据存储空间占用率的方法，其特征在于，所述解压缩算法模块实现的步骤包括：
第一步：先取两个字节，判断其是否为0x0A 0x55，如果判断通过则表示DM是本算法的数据包，可以进行解析，否则DM不是本算法数据包，不予解析。
第二步：接着取一字节，解析为8bit的short类型，设为sensi，则可得每个数据的长度是s＝sensi*16；
第三步：接着再取一字节，解析为8bit的short类型，设为sn，根据sn的值我们确定首位符号sign，当sn＝0x00时sign＝1，当sn＝0x01时，sign＝-1；
第四步：接着再取八字节，解析为64bit的double类型，设为|A|max；
第五步：接着再取八字节，解析为64bit的long long类型，设为N；
第六步：接着取s个bit，按照无符号的整型的方式解析(但不限于32位bit)，设为ds0；根据压缩算法的方式推算得出D0＝sign*|A|max*ds0/2s；
第七步：接着再取s个bit，仍然按照无符号的整型方式解析，设为ds1；根据压缩算法的方式解出|D1|＝|A|max*ds1/2s后再求符号，依次推算并解出往后的所有值。
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