適用于暫態(tài)波形存儲的 “輕量級” 數據壓縮算法，核心判定標準是算法復雜度低（無復雜矩陣運算 / 大窗口搜索）、硬件依賴?。ㄟm配 8/32 位 MCU、內存占用≤10KB）、實時性強（單采樣點處理時延≤1μs），同時需保留暫態(tài)波形的關鍵特征（突變點、幅值變化）。以下是 4 類典型輕量級算法及應用適配：

一、差分編碼（DPCM）及其簡化變種：最基礎的輕量選擇

1. 基礎 DPCM（差分脈沖編碼調制）

核心原理：利用暫態(tài)波形 “相鄰采樣點幅值相關性強” 的特點（如電壓平穩(wěn)段相鄰值差≤0.5V），僅存儲 “當前采樣值 - 前一采樣值的差值”，而非原始值。例：原始波形采樣值「220.0V、220.1V、220.05V、219.9V」，僅存儲「220.0V（基準值）、+0.1V、-0.05V、-0.15V」，差值數據的絕對值遠小于原始值，自然實現壓縮。

輕量特性：

無復雜計算：僅需 1 次減法運算，8 位 MCU 即可實時處理；

內存占用：僅需保存 1 個 “前一采樣值”（16 位整數，2 字節(jié)），無額外緩存需求；

處理時延：單采樣點處理≤0.1μs，完全適配每周波 256~1024 點的采樣需求。

壓縮比：1.5:1~2.5:1（暫態(tài)平穩(wěn)段壓縮比高，突變段稍低），適合電壓波動、小幅值諧波等暫態(tài)場景。

應用案例：安科瑞 APView500 的 “基礎壓縮模式”、經濟型配電監(jiān)測裝置（如 ZR-WPQ 系列）。

2. 簡化 ADPCM（自適應差分脈沖編碼調制）

核心改進：在 DPCM 基礎上，根據 “差值大小動態(tài)調整量化步長”（差值小→小步長，保留細節(jié)；差值大→大步長，減少數據量），但僅保留 2~3 級固定步長（而非動態(tài)計算），降低復雜度。例：預設步長「0.05V、0.2V、0.5V」，差值≤0.1V 用 0.05V 步長量化，0.1V~0.3V 用 0.2V 步長，＞0.3V 用 0.5V 步長。

輕量特性：

無復雜步長計算：僅通過預設閾值判斷步長，無需乘法 / 除法；

內存占用：額外保存 1 個 “當前步長標識”（2 位二進制，可嵌入差值數據），總內存≤4 字節(jié)。

壓縮比：2:1~3:1（比基礎 DPCM 高 20%~30%），且能保留暫態(tài)突變點細節(jié)（如電壓暫降起始時的差值用小步長量化）。

應用案例：研華 UNO-2484G 邊緣網關的 “輕量壓縮”、工業(yè)級電流監(jiān)測裝置。

二、基礎熵編碼：霍夫曼編碼（靜態(tài)版）

1. 靜態(tài)霍夫曼編碼（預定義碼表）

核心原理：對 “差分編碼后的差值” 或 “原始采樣值”，用預定義的霍夫曼碼表（基于暫態(tài)波形的統(tǒng)計規(guī)律，如額定值附近采樣點頻率高）分配短碼，無需實時構建碼表（避免復雜計算）。例：預設碼表中，差值「0V」（平穩(wěn)段常見）用 2 位碼「00」，差值「±1V」（突變段）用 4 位碼「1010/1011」，高頻值用短碼減少數據量。

輕量特性：

無實時碼表構建：碼表預先存儲在 ROM 中（16~32 字節(jié)即可覆蓋常見差值），無需占用 RAM；

編碼過程：僅需 “查表 + 位拼接”，無復雜概率計算，32 位 MCU 單采樣點處理≤0.5μs；

解碼簡單：接收端用相同碼表反向查表，適合裝置本地存儲 + 后期導出分析。

壓縮比：2:1~3.5:1（與 DPCM 結合時，壓縮比可達 3:1~4:1），適合采樣值分布集中的暫態(tài)場景（如電網正常運行時的小幅諧波）。

應用案例：福祿克 1740 便攜式監(jiān)測儀、低端電能質量分析儀（如橫河 WT210）。

2. 行程編碼（RLE）：與差分編碼組合

核心原理：對 “連續(xù)相同的差值”（如暫態(tài)平穩(wěn)段，差值連續(xù)為 0V），僅存儲 “差值 + 連續(xù)次數”，而非重復存儲每個差值。例：差分后的數據「0V、0V、0V、+0.1V、0V、0V」，用 RLE 編碼為「(0V,3)、(+0.1V,1)、(0V,2)」，減少重復數據量。

輕量特性：

僅需 1 個 “計數器”（8 位整數，1 字節(jié)），記錄連續(xù)次數（最大 255 次，足夠覆蓋平穩(wěn)段）；

觸發(fā)條件簡單：僅當當前差值與前一差值相同時計數，否則存儲并重置計數器，無額外計算。

壓縮比：平穩(wěn)段可達 5:1~10:1（如電壓穩(wěn)定時），突變段無壓縮效果，需與 DPCM 結合（先差分再 RLE），整體壓縮比 2.5:1~4:1。

應用案例：居民配網 C 級監(jiān)測裝置、光伏逆變器本地波形存儲。

三、簡化 LZ77 算法（小窗口版）

1. 小窗口 LZ77（窗口大小≤128 字節(jié)）

核心原理：保留 LZ77 “尋找重復片段” 的核心邏輯，但將滑動窗口大小設為 64~128 字節(jié)（常規(guī) LZ77 窗口為 4KB~64KB），減少內存占用和查找時間，僅捕捉短重復片段（如暫態(tài)平穩(wěn)段的連續(xù)小幅波動）。例：窗口內找到 “220.0V、220.05V、219.95V” 的重復片段，用 “片段起始位置（4 字節(jié)）+ 長度（2 字節(jié)）” 替代原始 3 個采樣值（6 字節(jié)），節(jié)省數據量。

輕量特性：

內存占用：窗口 + 歷史緩沖區(qū)共≤256 字節(jié)（遠低于常規(guī) LZ77），適合 8 位 MCU；

查找邏輯簡化：僅遍歷窗口內前 16 個字節(jié)（而非全窗口），減少比較次數，單片段處理≤1μs。

壓縮比：2.5:1~3.5:1（適合含短重復片段的暫態(tài)，如周期性小幅諧波），不適合無重復的突發(fā)暫態(tài)（如雷擊電壓沖擊）。

應用案例：工業(yè)級邊緣傳感器（如 ME2021 的 “快速壓縮模式”）、低功耗監(jiān)測裝置。

四、輕量級量化編碼（固定步長量化）

1. 固定步長量化編碼

核心原理：對采樣值或差分差值，用固定步長量化（如 0.1V / 步），僅存儲 “量化后的整數索引”（而非原始浮點值），實現數據壓縮，且量化步長可通過配置調整（兼顧精度與壓縮比）。例：原始差值「0.08V、0.12V、-0.05V」，用 0.1V 步長量化為「1、1、0」（索引 = 差值 / 步長 + 偏移），每個索引用 4 位二進制存儲（原始差值需 16 位）。

輕量特性：

僅需 1 次除法（可簡化為移位運算，如 0.1V 步長對應 ×10 后取整），無復雜計算；

內存占用：僅需保存量化步長（16 位整數，2 字節(jié)），無額外緩存；

誤差可控：步長設為 0.05V~0.2V 時，暫態(tài)幅值誤差≤5%，滿足常規(guī)監(jiān)測需求。

壓縮比：3:1~4:1（原始 16 位采樣值→量化后 4~5 位索引），適合對精度要求不高的暫態(tài)統(tǒng)計場景（如電壓波動頻次統(tǒng)計）。

應用案例：低端配電監(jiān)測模塊（如安科瑞 PZ72L-E4）、物聯網低功耗監(jiān)測節(jié)點。

輕量級算法對比與選擇建議

總結

輕量級算法的核心是 “夠用即好”—— 以最低的硬件成本實現 “關鍵特征不丟、誤差可控” 的壓縮。選擇建議：

極致輕量（8 位 MCU / 低功耗）：優(yōu)先選「基礎 DPCM」或「DPCM+RLE」，適合居民配網、物聯網節(jié)點；

平衡壓縮比與精度（32 位 MCU）：選「簡化 ADPCM」或「靜態(tài)霍夫曼 + DPCM」，適合工業(yè)車間、光伏逆變器；

統(tǒng)計類場景（精度要求低）：選「固定步長量化」，適合電壓波動、諧波頻次統(tǒng)計。

所有輕量級算法均建議與 “事件觸發(fā)存儲” 結合（僅存儲異常暫態(tài)，不存儲平穩(wěn)段），進一步降低存儲壓力，確保暫態(tài)波形 “存得下、用得上”。

審核編輯 黃宇