基于DM642的鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冒波波，彭飛，陳維榮，王旭峰，陳珂寧

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

鐵路路外傷亡事故時(shí)常發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，給列車正常運(yùn)行帶來了極大危害。京津城際鐵路客運(yùn)專線以及武廣客運(yùn)專線的順利開通，對(duì)列車運(yùn)行安全提出了新的要求。列車速度快、慣性大，僅憑列車司機(jī)肉眼來判別路障，很難保證路障的有效檢測(cè)，并且即使發(fā)現(xiàn)路障，采取措施往往為時(shí)已晚。這就迫切需要一套有效檢測(cè)鐵路路障并能遠(yuǎn)距離及時(shí)為列車司機(jī)提供報(bào)警的裝置。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]給出的鐵路路障視頻檢測(cè)報(bào)警算法，主要針對(duì)于直線軌道路段而未對(duì)危險(xiǎn)性更高的曲線區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)探討。本文實(shí)現(xiàn)的鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)能夠有效提取直線和曲線鐵軌框架，以確定有效報(bào)警區(qū)域，不僅適用于鐵路平交道口，還適用于鐵路轉(zhuǎn)彎處、隧道出入口以及隧道內(nèi)，具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本信號(hào)為模擬信號(hào)，其傳輸距離短、擴(kuò)展能力差，而且視頻信號(hào)的存儲(chǔ)會(huì)耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)介質(zhì)；基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然功能較強(qiáng)，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，但其穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高，不適用于室外惡劣的工業(yè)環(huán)境。本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP、視頻圖像處理技術(shù)和無線報(bào)警技術(shù)的嵌入式鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可脫離PC機(jī)使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的整體構(gòu)架是將攝像機(jī)安裝在需要監(jiān)控的鐵軌路段，采集視頻圖像傳送給DSP處理器，根據(jù)相應(yīng)的圖像處理程序進(jìn)行處理和分析。如果存在路障，則通過無線通信將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到安置于列車上的無線接收裝置，機(jī)車司機(jī)根據(jù)報(bào)警信號(hào)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，從而避免事故的發(fā)生。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)外圍配置可分為5大模塊:電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、EMIF內(nèi)存擴(kuò)展模塊、可編程邏輯模塊和無線收發(fā)模塊。為了提高主控芯片與外圍芯片的接口性能，盡量選用與主控芯片同一生產(chǎn)廠家的外圍芯片。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2.1.1 TMS320DM642 DSP及TVP5150PBS

TMS320DM642是TI公司于2002年推出的一款高端專用視頻處理芯片[3]，其最高工作主頻可達(dá)720 MHz，處理能力可達(dá)5 760 MIPS。DM642使用兩級(jí)緩存，具有豐富的外圍配置:3個(gè)可配置的視頻端口(VP0、VP1、VP2)、1個(gè)以太網(wǎng)控制器(EMAC)、1個(gè)管理數(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO)、1個(gè)內(nèi)插VCXO控制接口、1個(gè)I2C總線、3個(gè)32 bit通用定時(shí)器、1個(gè)用戶配置的16 bit或32 bit主機(jī)接口(HPI16/HPI32)、1個(gè)PCI、1個(gè)16引腳的通用輸入輸出口(GP0)、1個(gè)64 bit外部存儲(chǔ)接口(EMIF)，支持異步存儲(chǔ)器和同步存儲(chǔ)器直接接口，共有1 024 MB可尋址外部存儲(chǔ)空間。

TVP5150PBS芯片是TI公司推出的一款高性能視頻解碼芯片[4]，本系統(tǒng)選用它作為視頻信號(hào)輸入格式轉(zhuǎn)換芯片。TVP5150PBS功耗低、體積小，正常工作時(shí)，功耗僅為115 mW。支持NTSC/PAL/SECAM等格式，輸入信號(hào)按照YcbCr 4:2:2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，以8 bit內(nèi)嵌同步信號(hào)的ITU-RBT.656格式輸出。

DM642和TVP5150PBS連接構(gòu)成系統(tǒng)的圖像采集部分。DM642通過I2C總線實(shí)現(xiàn)對(duì)TVP5150PBS芯片的操作，系統(tǒng)將VP0配置為單通道視頻輸入口，INTREQ為DM642的VP口的CAPEN信號(hào)，用來控制VP口對(duì)數(shù)據(jù)視頻流進(jìn)行采集；SCLK為DM642提供2倍像素時(shí)鐘信號(hào)，用來控制DM642的視頻口對(duì)像素信號(hào)的采集；當(dāng)DM642的視頻口作為8 bit視頻口時(shí)，使用10 bit數(shù)據(jù)總線中的高8 bit，即VP0_D[9:2]，硬件連接如圖3所示。

2.1.2 電源管理模塊

電源模塊在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著重要作用。特別是在高速電子設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定可靠的電源供電是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的電源管理模塊分為供電電路和電源監(jiān)測(cè)電路。

(1)供電電路

DM642芯片需要2個(gè)獨(dú)立的電壓:1.4 V的內(nèi)核電壓和3.3 V的I/O以及其他外圍芯片的電壓。TI公司的DSP并不要求內(nèi)核供電與I/O口供電有特殊的上電順序，然而，設(shè)計(jì)時(shí)必須保證當(dāng)其他供電值低于合適的操作電壓時(shí)，系統(tǒng)所有供電的上電時(shí)間不超過1 s，否則極易對(duì)芯片造成損害。從系統(tǒng)級(jí)考慮，總線競(jìng)爭(zhēng)要求按順序上電，即內(nèi)核上電不晚于I/O口。為解決這一問題，本系統(tǒng)選用2片TI公司的TPS54310分別提供這2種電壓，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，將TPS54310(1)的PWRGD引腳連接到TPS54310(2)的SS/EN引腳[5]，即可保證DM642內(nèi)核上電早于I/O的上電。硬件電路如圖4所示。

(2)電源監(jiān)測(cè)電路

為了保證DM642芯片內(nèi)核電壓和I/O電源未達(dá)到要求電平時(shí)，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)電壓下降至設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，并且允許系統(tǒng)在任意時(shí)刻都可以通過復(fù)位來調(diào)整工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)中選用TI公司的TPS3823-33芯片，對(duì)系統(tǒng)中使用最多的+3.3 V電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.1.3 時(shí)鐘模塊

在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量使用DSP片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)，以降低片外時(shí)鐘頻率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。CLKMODE[1:0]和AEA[20:19]主要用于對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置。本系統(tǒng)的輸入時(shí)鐘CLKIN為50 MHz，將CLKMODE[1:0]設(shè)置為10，即片內(nèi)PLL設(shè)置為×12，則CPU內(nèi)核頻率為600 MHz；ECLKIN=133 MHz，將AEA[20:19]設(shè)置為00，則EMIF的時(shí)鐘為ECLKIN，即133 MHz。為使得到的時(shí)鐘頻率抖動(dòng)最小，必須利用干凈的電源為DM642的外部晶振電路供電，同時(shí)，最小的CLKIN上升和下降時(shí)間也要考慮。系統(tǒng)中所使用到的時(shí)鐘頻率還有視頻解碼芯片所需的14.31818 MHz。以上用到多個(gè)不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，本設(shè)計(jì)中選用2片Cypress Semiconductor公司生產(chǎn)的CY22381芯片來提供。

2.1.4 EMIF內(nèi)存擴(kuò)展模塊

由于系統(tǒng)主要用于視頻圖像處理，所以運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)?？紤]到系統(tǒng)程序運(yùn)行也要占用大量的存儲(chǔ)空間，DM642內(nèi)部?jī)H有的256 KB的SRAM已不能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求。DM642提供了1個(gè)64 bit EMIF接口，該接口有64 bit數(shù)據(jù)線、20根地址線以及一系列控制總線，方便用戶擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間。系統(tǒng)采用2片Hynix Semiconductor公司生產(chǎn)的HY57283220(4Banks×1 M×32 bit)構(gòu)成4 M×64 bit的外部RAM空間，同時(shí)選用了一片AM29LV033C的FLASH芯片構(gòu)成4 M×8 bit的外部ROM空間。需要注意的是，DM642的CE1子空間除了分配給FLASH外，還分配給狀態(tài)/控制寄存器，故提供給FLASH的地址線只有19根，另外3個(gè)頁(yè)地址由FPGA提供。

2.1.5 可編程邏輯模塊

可編程邏輯器件在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用，這類器件可以通過軟件編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，使硬件的設(shè)計(jì)如同軟件編程一樣方便快捷，具有極大的靈活性和通用性。本系統(tǒng)中由于要給外部FLASH提供3個(gè)頁(yè)地址并給無線發(fā)送模塊提供報(bào)警信號(hào)，選用ALTERA公司的FPGA器件EPF10K10LC84。設(shè)計(jì)中采用的硬件描述語(yǔ)言為VHDL語(yǔ)言。輸入信號(hào)有:RESET復(fù)位信號(hào)，系統(tǒng)地址總線的3、4、5、6、7、22 bit；CE1空間片選信號(hào)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線0～7 bit。輸出信號(hào)有:FLASH的片選信號(hào)；8 bit數(shù)字I/O輸出口；FLASH頁(yè)地址輸出口[6]。

2.1.6 無線收發(fā)模塊

Nordic公司推出的nRF401是一個(gè)為433 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正UHF無線收發(fā)芯片，采用FSK調(diào)制技術(shù)，在無線防盜和井下定位無線數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。本系統(tǒng)采用2片nRF401作為無線收發(fā)設(shè)備，1片隨系統(tǒng)裝置安裝在鐵道監(jiān)控點(diǎn)，設(shè)置為發(fā)送模式，即TXEN=1，將其DIN接口與FPGA設(shè)計(jì)的8 bit字輸出口中的其中一位相連，當(dāng)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)路障時(shí)，即通過對(duì)FPGA的控制向DIN口發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另一片安裝在駕駛室，設(shè)置為接收模式，即TXEN=0，其DOUT接口與報(bào)警器相連，當(dāng)其接收到報(bào)警信號(hào)后，便驅(qū)動(dòng)報(bào)警器通知列車司機(jī)。DIN是數(shù)據(jù)發(fā)送腳，連到該腳的電平必須是CMOS電平，最高速率是20 kb/s，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，若DIN=“1”，則f=f0+Δf；若DIN=“0”，則f=f0-Δf。DOUT是解調(diào)輸出腳，標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平輸出，若f=f0+Δf，則DOUT=“1”；若f=f0-Δf，則DOUT=“0”。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于DSP的實(shí)時(shí)圖像采集處理系統(tǒng)，其軟件工作過程主要分為3個(gè)階段:(1)鐵路框架提取及監(jiān)測(cè)范圍定標(biāo)；(2)循環(huán)檢測(cè)指定范圍內(nèi)路障并判斷動(dòng)向；(3)根據(jù)路障類型發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

該系統(tǒng)的總體流程圖如圖5所示。

2.2.1 鐵路框架提取及監(jiān)測(cè)范圍定標(biāo)

當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先由CCD攝像頭將捕獲的圖像信息以結(jié)構(gòu)幀的形式經(jīng)過視頻解碼芯片解碼成BT.656視頻流傳送給視頻處理板的視頻接口，DSP以EDMA方式接收視頻口數(shù)據(jù)并存入板載的SDRAM，該初始提取圖像作為提取鐵軌框架的基圖像。

在鐵軌框架提取階段，首先經(jīng)過直方圖均衡化和自適應(yīng)Canny邊緣檢測(cè)，得到包含路軌框架信息的曲線簇，然后根據(jù)判定準(zhǔn)則從該曲線簇中提取出最接近路軌條件的初始化框架曲線，最后根據(jù)接續(xù)準(zhǔn)則將初始化框架曲線進(jìn)行接續(xù)，構(gòu)成程序能夠達(dá)到的完整的鐵軌框架。

獲取鐵軌框架后，將框架邊線適當(dāng)外擴(kuò)，得到最終的路障監(jiān)測(cè)區(qū)域。該階段僅在系統(tǒng)初始化程序中執(zhí)行一次。

2.2.2 循環(huán)檢測(cè)指定范圍內(nèi)路障并判斷動(dòng)向

當(dāng)路軌監(jiān)測(cè)范圍定標(biāo)之后，系統(tǒng)進(jìn)入路障實(shí)時(shí)跟蹤階段。該階段將對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲。

首先是背景幀的獲取。每隔一定的循環(huán)次數(shù)，如果當(dāng)前實(shí)時(shí)捕獲的圖像經(jīng)過判定后不需要報(bào)警，則將其設(shè)置為背景幀圖像，否則繼續(xù)循環(huán)判斷。

在周期更替的背景幀確定后，開始路障監(jiān)測(cè)。將每次獲取的新圖像與當(dāng)前背景幀做差，并進(jìn)行基本的形態(tài)學(xué)操作(二值化、腐蝕等)后，進(jìn)入路障判定階段。

如果發(fā)現(xiàn)差值較大且具有廣泛分布性，則判定為光線變化，此時(shí)不報(bào)警，但立即用當(dāng)前圖像更新背景幀；如果差值很小，可以忽略，則不報(bào)警繼續(xù)循環(huán)捕獲新的實(shí)時(shí)圖像；如果差值處于路障判定范圍內(nèi)，則將相差部分與鐵軌標(biāo)定范圍相與，根據(jù)得到的不同結(jié)果分別對(duì)待。

(1)如果結(jié)果較大，則說明此時(shí)有障礙物處于路軌范圍內(nèi)，但不確定其動(dòng)向，等待下一次循環(huán)捕獲圖像進(jìn)行動(dòng)向判定，且此時(shí)即使達(dá)到更換背景幀的循環(huán)次數(shù)也不進(jìn)行更替；如果隨后的循環(huán)處理仍然發(fā)現(xiàn)有障礙物且運(yùn)動(dòng)情況不足以確保安全，則判定為報(bào)警事件；否則其動(dòng)向判定為處于安全范圍，為非報(bào)警事件。

(2)如果結(jié)果較小，則說明障礙物可忽略或處于鐵軌范圍之外，歸類為非報(bào)警事件。

2.2.3 報(bào)警信號(hào)發(fā)送

如果經(jīng)過程序處理得到報(bào)警事件，則向行駛機(jī)車進(jìn)行路障報(bào)警。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于DM642的鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)圖分別如圖6、圖7所示，提取鐵軌框架以確定有效的報(bào)警范圍。當(dāng)鐵軌上出現(xiàn)影響列車安全運(yùn)行的路障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)β氛线M(jìn)行有效識(shí)別，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，經(jīng)無線收發(fā)裝置向機(jī)車司機(jī)報(bào)警。

本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的鐵路路障視頻報(bào)警裝置的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)使整個(gè)系統(tǒng)便于安裝和調(diào)試，能夠適應(yīng)惡劣復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境?；赥MS320DM642專業(yè)視頻處理平臺(tái)的視頻圖像處理算法能夠準(zhǔn)確提取直線和曲線鐵軌框架并確定報(bào)警區(qū)域，有效判斷識(shí)別影響列車行車安全的鐵路路障。無線傳輸技術(shù)的采用有效解決了報(bào)警信號(hào)向運(yùn)動(dòng)列車的傳輸問題。本系統(tǒng)不僅適用于鐵路平交道口，還適用于鐵路轉(zhuǎn)彎處、隧道出入口以及隧道內(nèi)，能有效減少路外傷亡事故，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]蘭培強(qiáng)，陳維榮，李東明，等.鐵路道口智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25(5).

[2]樓瑞霞，陳維榮.鐵路路障檢測(cè)方法[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006，32(5):136-138.

[3]Texas Instrument.TMS320DM642 Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Proce-ssor.pdf.www.ti.com.

[4]TVP5150AM1 Date Sheet，2004.

[5]趙燕麗.基于TMS320DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件研究與設(shè)計(jì)[D].成都:西南交通大學(xué)，2006(4):18-19.

[6]趙挺，陳維榮，李東明.基于DSP的路障視頻監(jiān)控報(bào)警硬件系統(tǒng)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2007，33(4):129-132.