大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)研究

李立新

（中國神化軌道機械化維護分公司準格爾工務機械段 內蒙古鄂爾多斯 010300）

1 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，對鐵路運輸?shù)男枨笕找嬖黾?。在這一背景下，鐵路建設事業(yè)迅速發(fā)展，線路運輸日益繁忙，線路維護的工程量越來越大，從而對線路維護的質量和效率提出了更高的要求。針對這一發(fā)展形勢，我國在1984 年從國外引進了大型養(yǎng)路機械進行線路維修和大修，鐵路工務系統(tǒng)的作業(yè)方式和維修體制發(fā)生了根本性的改變，線路養(yǎng)護維修的質量和效率得到極大提高，施工與運行的矛盾得到很大程度的緩解，施工生產中的事故明顯降低[1]。正是由于大型養(yǎng)路機械具有突出的優(yōu)點，使其成為我國鐵路維護中必不可少的現(xiàn)代化設備。

1997 年以來，我國鐵路經歷了五次大提速，線路列車密度進一步增加，從而對大型養(yǎng)路機械工作的質量、效率和安全性提出了更高的要求。安裝大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)可以有效的實時監(jiān)控施工現(xiàn)場，減少施工人員，是提高線路維護質量、施工效率和安全性的有效手段，因此開發(fā)大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。

2 監(jiān)控系統(tǒng)應具有的功能和性能

安裝監(jiān)控系統(tǒng)的目標是操作人員能夠實時觀察到大型養(yǎng)路機械四周的情況，便于控制施工質量，防止碰幢人或物，減少施工人員的數(shù)量，提高勞動效率。由于大型養(yǎng)路機械工作在惡劣的工作環(huán)境下，因此它還應該具有較好的適應客觀環(huán)境的能力。根據(jù)上述要求，大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)應具有以下功能和性能：

（1）可通過顯示器實時觀察到大型養(yǎng)路機械各工位的工作情況，工位圖像穩(wěn)定，實時性好；

（2）各工位的實時圖像可同時顯示，也可單獨顯示，圖像之間可以切換；

（3）系統(tǒng)具備存儲各工位實時圖像的功能；

（4）系統(tǒng)工作電壓在20～30V 之間；

（5）系統(tǒng)可適應的環(huán)境溫度在－10～50 ℃之間；

（6）系統(tǒng)具有夜視功能，能夠防雨雪、防塵、防風；

（7）系統(tǒng)產生的電磁輻射不能干擾大型養(yǎng)路機械的正常工作；

（8）系統(tǒng)具有較好的抗振性能。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

近年來，數(shù)字視頻處理技術得到廣泛應用，該技術通過對視頻模擬信號進行A/D 轉換，把模擬信號轉化為數(shù)字信號，數(shù)字信號具有更強的抗干擾能力。數(shù)字視頻可操作性強，可以進行裁剪、查找、回放、縮放、變換等多種操作，比模擬視頻處理技術處理圖像的方式更加靈活，查詢圖像的速度更快，模擬系統(tǒng)需要幾分鐘才能完成的任務，數(shù)字系統(tǒng)在幾秒內就能實現(xiàn)。數(shù)字視頻處理技術可以擴展大容量的硬盤，數(shù)據(jù)存儲量更大。而且通過TCP/IP、有線網(wǎng)絡、DSL 等載體,用戶可以進行網(wǎng)絡遠程連接，將本地視頻數(shù)據(jù)傳送到目的地或服務器進行存儲和分析，如采用特殊圖像處理技術開發(fā)相關的應用——人臉識別，運動檢測、跟蹤等。

TMS320DM642 是款高性能的數(shù)字信號處理芯片，能夠處理多路視頻信號，其硬件結構非常適合在視頻處理系統(tǒng)中應用。其片上硬件資源豐富，具有網(wǎng)口、PCI 接口、HPI 接口、IIC 接口、串行口等多種接口，可廣泛應用于視音頻、網(wǎng)絡、信號處理等。利用TMS320DM642 進行多路視頻信號的處理，通過自帶的10/100 M EMAC 網(wǎng)口可把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡，TMS320DM642 的這些特點使它特別適用于視頻處理硬件系統(tǒng)的開發(fā)[2～3]。

圖1 大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)架構

選用TMS320DM642 作為大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)視頻信號處理器的核心器件，片上的3 個視頻口可以和外部的視頻解碼芯片實現(xiàn)無縫連接，通過IIC 總線接口配置解碼芯片的內部寄存器，視頻解碼芯片和外部支持NTSC 或PAL 制式的攝像頭連接，通過解碼電路可以把模擬視頻信號轉換為YUV 格式的數(shù)字視頻信號。由于原始視頻數(shù)據(jù)占用內存空間比較大，必須經過壓縮處理才能進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以降低數(shù)據(jù)占用的實際帶寬，提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸速率，因此需要在TMS320DM642 中進行數(shù)字處理。TMS320DM642 的視頻口即可以配置為接受外部視頻流的輸入口，也可以配置為輸出視頻流的輸出口，DM642 的外部可以擴展視頻編碼電路，編碼芯片把來自DM642的視頻數(shù)據(jù)轉化為標準的電視信號，并把電視信號送給顯示器實現(xiàn)實時預覽。同時，DM642 外部還可以擴展SDRAM 存儲器和FLASH 存儲器，用于存儲視音頻數(shù)據(jù)、程序及相關參數(shù)，借助于EMAC網(wǎng)絡/外擴的1394 總線接口可把視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡或者發(fā)送到遠程控制服務器，同時還可以利用其硬盤接口實現(xiàn)和外部大容量硬盤設備連接，便于存儲視頻數(shù)據(jù)[4]。大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)的架構如圖1 所示。

3.2 主要芯片選型

根據(jù)大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)總體架構進行模塊化設計，合理選擇芯片，方能保證實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的功能。

3.2.1 FPGA 芯片選型

在開始進行FPGA 模塊設計之前，要根據(jù)FPGA 的工作頻率和資源等多個方面進行綜合考慮后選擇合適的器件類型。當然，在選擇FPGA 時通常還需結合以下幾個因素：電氣接口標準、封裝類型、價格和開發(fā)工具的支持等情況[5]。

為了方便器件的設計與開發(fā)以及更好的擴大市場份額，賽靈思公司和Altera 公司分別提供各自的集成開發(fā)軟件ISE 和QuartusⅡ[6]。該兩款軟件功能強大且操作界面友好，如果再結合第三方合作公司提供的技術支持，能夠極大的方便開發(fā)人員充分地開發(fā)利用器件的性能。

考慮到賽靈思在FPGA 技術方面一直保持著明顯的優(yōu)勢，并且技術支持比較全面，再結合實驗室現(xiàn)有的資源綜合考慮，本次設計選擇賽靈思公司產品。芯片具體型號為XC3S500E-4FGG320C，屬于性價比最高的Spartan-3E 系列。該芯片主要特點如下：90 nm 工藝；320 腳FBGA 封裝；500 k系統(tǒng)門數(shù)；10476 個等效邏輯單元；20 個的專用乘法器；4 個數(shù)字時鐘管理模塊；最多可支持232個用戶I/O 端口，其性能和資源已經遠遠滿足本設計的需求[7]。

3.2.2 IEEE 1394 芯片選型

在1394 總線的規(guī)范中定義了總線節(jié)點之間的接口標準，主要包括物理層（PHY）和鏈路層（LLC）接口兩部分[8]。因此，要實現(xiàn)外設與1394 總線間的通信需要選擇合適的物理層芯片和鏈路層芯片。目前，能提供1394 總線接口芯片的廠商有很多，種類也很齊全，可以很容易地實現(xiàn)1394 總線接口的設計。

通過比較1394 總線接口的PHY 芯片選用TI 公司生產的TSB41AB3，該芯片是1394a 總線的標準PHY 芯片，主要負責數(shù)據(jù)的傳輸，提供完善的收發(fā)功能。TSB41AB3 提供3 個物理端口，每個端口都有兩對差分線收發(fā)器，支持等時傳輸和異步傳輸，支持100 Mbit/s、200 Mbit/s、400 Mbit/s 的不同傳輸速率，能和LLC 芯片實現(xiàn)無縫連接。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和更好的兼容性，LLC 芯片選用同是TI 公司的TSB12LV32 芯片，該芯片是一款高性能通用1394 總線LLC 控制芯片，具有微控制器接口和數(shù)據(jù)遷移（DM）接口兩部分端口資源[9]。

通過TSB41AB3 芯片和TSB12LV32 芯片的配合使用，實現(xiàn)1394 總線接口的設計，為DSP 與PC 上位機構建了一個高速數(shù)據(jù)傳輸通道。

3.2.3 DSP 芯片選型

對于DSP 芯片來說，運算速度的大小代表著DSP 處理數(shù)據(jù)的能力，這是也選擇DSP 芯片主要參考因素之一。同時，還應根據(jù)實際應用來考慮芯片的硬件資源以及芯片的價格、封裝類型和功耗等因素。其次，還要考慮芯片是否擁有完善的開發(fā)工具。一個完善的開發(fā)工具對于設計一個DSP 系統(tǒng)來說是至關重要的，尤其當設計一個復雜的DSP 系統(tǒng)時。倘若沒有開發(fā)工具的支持，不僅增加了系統(tǒng)的開發(fā)難度，而且也不利于提高系統(tǒng)的可移植性、擴展性。

總之，需要根據(jù)應用系統(tǒng)的功能需求客觀地選擇一款價格適中又能滿足性能要求的DSP 芯片。根據(jù)以上選擇原則，同時考慮了芯片的應用是否成熟、購買渠道是否多樣化、芯片訂購方式是否方便、開發(fā)套件是否完善以及訂貨周期長短等一些因素。

依據(jù)上述考慮因素，選擇了TI 公司推出的一款32 位定點DSP 芯片—TMS320DM642AZDK6（簡稱DM642）。DM642 芯片采用BGA 封裝，引腳間距為0.8 mm，共有548 個引腳，包括電源（內核電源和I/O 電源）引腳、地引腳、JTAG 引腳、數(shù)據(jù)總線和地址總線引腳、EMIFA 控制引腳、時鐘引腳、視頻口引腳、網(wǎng)口引腳、音頻口引腳、串行口引腳等[16]。DM642 芯片的工作頻率可以由內部的PLL 鎖相環(huán)進行倍頻處理，根據(jù)外部輸入時鐘，經倍頻處理后頻率最高可達720 MHz，特別適合多媒體數(shù)字信號的處理。

3.3 TMS320DM642 片上資源及上電復位設置

DM642 芯片內部采用哈弗結構，使用第二代VelociTITM 超長指令集，具有專門的硬件乘法器，采用先進的流水線操作，具有較強數(shù)字信號處理能力。其主要應用對象為數(shù)字媒體，屬于TI DSP 系列里高端產品芯片。

3.3.1 DM642 片上資源

DM642 芯片帶有3 個可配置的視頻口（VP0～VP2），支持多種標準格式的視頻圖像的輸入或輸出；1 個音頻串行口McASP；2 個RS232 驅動的多通道串行口McBSP；一個內插控制單元（VIC），可以通過編程方便的實現(xiàn)音/視頻同步。其中，每個視頻口被劃分為A、B 兩個可配置的通道，通過設置相關寄存器，每個通道既可以配置為視頻輸入口也可以配置為輸出口，但是同一個視頻口的A、B 兩個通道只能同時設置為輸入或輸出。VP0 與VP1 端口通道分別與MCBSP 和MCASP 接口引腳復用，通過配置可以設置為不同的組合方式。VP0 和VP1 均可以配置為為獨立的20 位視頻口，也可配置為視頻口和串行口的組合端口，或配置為視頻口和音頻口的組合端口。VP2 口的設置情況類似，但不同之處在于VP2 口引腳需單獨使用。

DM642 擁有1 個10/100 M EMAC 接口；1 個32 位的主/從PCI 接口；1 個可配置的16/32 位的HPI主機接口和1 個數(shù)據(jù)管理輸出模塊MDIO 接口，它們引腳復用。復用的引腳可以配置為1 個獨立的32位PCI 接口、1 個獨立的32 位HPI 接口或1 個16 位HPI 接口和1 個EMAC 接口的復合端口。

DM642 的GPIO 接口具有16 個可設置的通用輸入/輸出引腳，部分引腳與其他接口的引腳是復用的。其中，GP0 還作為GP0INT 中斷的輸出引腳，DM642 復位時，GP0 必須保持低電平。GP1 引腳和GP2 引腳與CLKOUT4 和CLKOUT6 復用；GP3 除了用作輸入/輸出引腳外，還用作PCI 自動初始化控制。GP4、GP5、GP6 和GP7 引腳和外部中斷EXT_INT4、EXT_INT5、EXT_INT6 和EXT_INT7復用。GP8 引腳可作為輸入/輸出引腳，也可以作為VIC 的D/A 輸出引腳，還可以作為PCI 接口時鐘頻率選擇引腳。此外，通過設置相關中斷寄存器后GPIO 引腳信號還可以用來產生CPU 中斷和EDMA 中斷。GP[15:0]引腳均能產生EDMA 事件，但是只有GP0、GP4、GP5、GP6 和GP7 引腳能產生CPU 中斷。

DM642 外部存儲器接口EMIFA 擁有寬度為64 位的數(shù)據(jù)總線，利用其擴展外部存儲器時，能夠與外部32 位或64 位的存儲器實現(xiàn)無縫連接，并且最大可尋址空間為1G。為了將外擴的外部存儲器映射在4 個不同空間中以便對其進行操作，可以將DM642 偏上的CE0~CE3 引腳信號作為外部存儲器的片選信號。

3.3.2 上電復位引腳設 置

DM642 在上電復位過程中，首先需要讀取某些引腳的狀態(tài)，根據(jù)這些引腳的電平狀態(tài)實現(xiàn)對硬件資源的初始化，比如選擇啟動方式、配置GPIO 口和PCI 口等。復位完成后，可通過編程設置相應的寄存器重新對硬件資源進行設置。

GP0 引腳作為GP0INT 中斷的輸出引腳，在DM642 復位階段，GP0 引腳必須保持低電平，GP0需接1 KΩ 左右的下拉電阻。TOUT1/LENDIAN 引腳狀態(tài)決定了DM642 的Endian 模式，在設計電路中可以同時連接一個1KΩ 大小的上拉電阻和下拉電阻，這樣在焊接電路板時，能夠根據(jù)實際系統(tǒng)的功能要求來焊接一個上拉或下拉電阻。DM642 芯片復位完成后，通過編程設置LEND 字段，可以調整DM642 的Endian 模式。

上電復位時，DM642 的引導方式可以通過AEA22 和AEA21 兩個引腳的邏輯組合用來設置，即將AEA22 和AEA21 兩個引腳端接一個1 KΩ 大小的上拉電阻或下拉電阻。

當利用EMIFA 接口進行存儲器擴展時，DM642 會根據(jù)AEA20 和AEA19 兩個引腳的狀態(tài)來設置外部存儲器的輸入時鐘源。因此，需要根據(jù)系統(tǒng)需要在兩引腳上正確的連接上拉或下拉電阻，電阻值同樣可以選擇1 KΩ 即可。DM642 復位結束后，若想改變EMIFA 接口的工作時鐘頻率和時鐘源，可通過重新設置AECLKIN_SEL[1︰0]字段進行調整。

GP3/PCIEEAI 引腳的電平狀態(tài)用來設置PCI 接口的初始化方式，如果系統(tǒng)使用了PCI 外設，該引腳必須端接一個上拉或下拉電阻；如果系統(tǒng)禁用PCI 外設，那么在DM642 復位階段，GP3/PCIEEAI引腳不能接上拉電阻。

3.4 系統(tǒng)軟件設計

應用C++語言開發(fā)了大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行后首先通過局域網(wǎng)登陸注冊網(wǎng)絡視頻處理器，獲取視頻流，預覽模塊與控制模塊并行運行，控制模塊包含手動控制與自動控制，根據(jù)控制模塊的指令，顯示器上顯示所需視頻畫面。

圖2 軟件流程圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)試驗

4.1 實驗室研究

依據(jù)國家標準對所開發(fā)的大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)進行了檢測檢驗，檢驗結果如表1 所示：

表1 大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)檢驗結果

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)顯示器顯示的有穩(wěn)定器圖像

4.2 裝車試驗

將所開發(fā)的大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)安裝在穩(wěn)定車上進行裝車試驗，圖3 為監(jiān)控系統(tǒng)顯示器所顯示的右穩(wěn)定器實時圖像，從圖像可以看出，圖像清晰穩(wěn)定，實時性好，滿足現(xiàn)場施工的需要。此外通過1 年多的應用，表明系統(tǒng)具有較好的適應環(huán)境能力和可靠性，有效的提高了施工的質量、工作效率和安全性。

5 結論

論文分析了開發(fā)大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)的必要性，根據(jù)實際需要提出了監(jiān)控系統(tǒng)應具有的功能和性能。以TMS320DM642 芯片為核心開發(fā)了系統(tǒng)視頻處理器，應用C++語言開發(fā)了系統(tǒng)控制軟件，并進行了實驗室研究和裝車試驗，試驗表明：系統(tǒng)圖像清晰、實時性好，能夠適應惡劣的工作環(huán)境，達到了設計的目標。

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