基于DSP和ARM的電氣化鐵路接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張學(xué)武

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

基于DSP和ARM的電氣化鐵路接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張學(xué)武

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

為預(yù)防接觸線上的冰害事故以及為除冰融冰提供支持，設(shè)計了集成視頻傳輸、覆冰厚度測量、導(dǎo)線溫度測量、現(xiàn)場微氣象采集的接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了由控制單元和測量傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡略闡述了微氣象傳感器的選擇、無線導(dǎo)線測溫傳感器的設(shè)計和攝像機(jī)電磁屏蔽與防凍設(shè)計。重點(diǎn)描述了基于圖像處理的控制單元的軟硬件設(shè)計，研究應(yīng)用DSP與ARM的HPI接口使DSP兼具視頻傳輸與圖像處理的功能,ARM通過EPON傳輸控制信號與測量數(shù)據(jù)。使用多閾值下的邊緣融合算法優(yōu)化了基于模極大值的邊緣檢測算法，并提出覆冰厚度和冰凌長度的計算方法。

接觸線；覆冰；HPI接口；邊緣檢測

0　引言

隨著我國電氣化鐵路向高寒和偏遠(yuǎn)地區(qū)的延伸，以及惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，接觸網(wǎng)覆冰所帶來的影響日益凸顯。其主要危害有：由于接觸線上附著冰殼，導(dǎo)致受電弓無法正常取流；弓網(wǎng)之間由于導(dǎo)電性能降低，產(chǎn)生電弧，瞬時高溫會燒傷受電弓和導(dǎo)線；覆冰容易形成冰凌，冰凌刮蹭受電弓，導(dǎo)致受電弓磨耗加??；覆冰后，由于線密度增大，減小了波動傳播速度，進(jìn)而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量；降低了接觸網(wǎng)的安全可靠性，如風(fēng)載荷和覆冰值超過設(shè)計值，出現(xiàn)覆冰舞動等現(xiàn)象[1-3]。

因此，需要設(shè)置覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過獲取覆冰相關(guān)參數(shù)，為除冰融冰和預(yù)防冰害事故提供技術(shù)支持。

1　接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合接觸網(wǎng)覆冰的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀[3]，本文設(shè)計了一款基于 ARM控制傳輸、DSP圖像處理的雙核監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過視頻傳輸實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控人員對現(xiàn)場融覆冰情況的實(shí)時監(jiān)控，并集成了覆冰厚度測量、現(xiàn)場微氣象和導(dǎo)線溫度測量。整個系統(tǒng)利用鐵路沿線的220 V交流電供電，并通過無源光纖接入技術(shù)與調(diào)度中心的計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時可靠的通信。圖1為接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要由測量傳感器和控制單元構(gòu)成。

測量傳感器包括導(dǎo)線測溫傳感器、微氣象傳感器和CCD攝像機(jī)。為了方便導(dǎo)線測溫傳感器的放置，采用短距離無線方式與控制單元通信。微氣象傳感器和攝像機(jī)則可通過RS485和同軸電纜與控制單元相連。

針對控制單元圖像處理要求高、控制參數(shù)多的特點(diǎn)，選用ARM9處理器S3C2410X和DSP處理器TMS320C6713的雙CPU處理方式。DSP使用流水線處理指令，擁有專用的硬件乘法器，數(shù)字信號處理能力強(qiáng)，但實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能較為困難；ARM是功能強(qiáng)大的嵌入式處理器，適合作控制芯片，在數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信及多任務(wù)處理上表現(xiàn)出色，但在數(shù)據(jù)處理方面不如 DSP快[4]。結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)采集導(dǎo)線溫度和微氣象數(shù)據(jù)、壓縮覆冰圖像、計算覆冰厚度、實(shí)時傳輸現(xiàn)場視頻、通過以太網(wǎng)打包傳輸數(shù)據(jù)、下發(fā)控制信號等功能。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　測量傳感器的選擇和設(shè)計

2.1微氣象傳感器

微氣象傳感器包含溫濕度和風(fēng)速風(fēng)向傳感器。溫濕度傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器SHTxx，該傳感器集成了電容式測濕元件和能隙式測溫元件，抗干擾能力強(qiáng)，體型小巧，可直接安裝在控制單元?dú)んw底部，實(shí)現(xiàn)測溫測濕；風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器MK-WT1，其安裝在支柱頂端，通過超聲波在空氣中傳播時間差來測量風(fēng)速及風(fēng)向。內(nèi)置的加熱裝置可以在嚴(yán)寒下保證正常工作，并采用聲波相位補(bǔ)償以及細(xì)雨、濃霧補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)較高精度的測量。

2.2導(dǎo)線測溫傳感器

導(dǎo)線測溫傳感器結(jié)構(gòu)如圖2。感溫芯片使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，每個DS18B20都內(nèi)置唯一的64位標(biāo)識號于內(nèi)部ROM存儲器中，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。電路板集成了低功耗的MSP430處理器、無線收發(fā)芯片nRF401和電源，感溫芯片可直接串口接入MSP430實(shí)現(xiàn)與控制單元的短距離無線通信。導(dǎo)線溫度傳感器主要測量電連接線夾上的溫度，防止融冰時線夾過熱出現(xiàn)故障。

圖2　導(dǎo)線測溫傳感器示意圖

2.3攝像機(jī)

攝像機(jī)機(jī)芯采用Sony CCD。針對現(xiàn)場的強(qiáng)電磁干擾，機(jī)芯采用雙層屏蔽，外殼使用不銹鋼保護(hù)防塵防雨，內(nèi)殼使用導(dǎo)磁性好的純鐵板抗干擾，增加浪涌和防雷保護(hù)功能。攝像機(jī)自身工作在-10℃～60℃，當(dāng)?shù)陀?10℃時，內(nèi)部感溫單元將自動開啟鏡片及內(nèi)部加熱和空氣循環(huán)系統(tǒng)。攝像機(jī)安裝在接觸網(wǎng)的支柱上，安裝于接觸線高度，安裝后需調(diào)整位置及焦距使其能準(zhǔn)確監(jiān)測到接觸線覆冰情況。

3　控制單元的硬件設(shè)計

控制單元的硬件設(shè)計主要包括HPI接口、圖像處理模塊及通信模塊。

3.1HPI接口

使用ARM和DSP雙CPU主要解決兩個CPU之間的通信問題。這里采用HPI通信方式，其硬件接口如圖3所示。HPI接口是DSP專門為主機(jī)和DSP互相通信的并行端口。主機(jī)通過HPIA可以指向DSP內(nèi)外存儲單元，并通過HPID讀寫這些存儲單元中的內(nèi)容。HCNTL0/1選擇要訪問的寄存器（控制寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器），HR/W控制對該寄存器的讀寫。HPI選用S3C2410X的BANK2作為接口地址，片選信號nGCS2連接HCS。ARM的讀寫控制線連接HDS1/2，HRDY接nWAIT，可以指示HPI寄存器的狀態(tài)，當(dāng)忙時，使ARM增加讀寫的等待周期。HINT為HPI發(fā)給主機(jī)的中斷信號。

圖3　ARM與DSP的HPI硬件接口

3.2圖像處理模塊

圖像處理模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。CCD攝像機(jī)輸出的覆冰圖像為模擬信號，除了圖像信號外，還包含行同步、行消隱、場同步及場消隱等信號，因此使用Philips公司專門研制的視頻輸入處理芯片 SAA7111對圖像進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。外部控制器ARM通過I2C總線對SAA7111內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫控制，其輸出的圖像信號通過FIFO緩存器輸入到DSP中，輸出的行同步、場同步、時鐘參考及奇偶場等信號通過CPLD控制FIFO的讀寫，由FIFO的半滿信號向DSP發(fā)出中斷申請，實(shí)現(xiàn)DSP單幀圖像的采集。

圖4　圖像處理模塊的硬件接口

3.3通信模塊

系統(tǒng)通過EPON接入以實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心的通信。EPON是基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測系統(tǒng)只需添加以太網(wǎng)控制器RTL8019AS芯片和光纖轉(zhuǎn)換器即可接入。以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議包含TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。調(diào)度中心向控制單元發(fā)出的下行控制使用TCP協(xié)議傳輸，上行視頻信息等采用UDP協(xié)議，并使用ARQ誤碼重傳機(jī)制提高UDP協(xié)議的可靠性。

4　控制單元的軟件設(shè)計

4.1HPI軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)，在初始化程序hpi_init()中，通過調(diào)用 register_chrdev(major_num,hpi_dev,&hpi_fops)為 HPI注冊驅(qū)動程序，major_num為設(shè)備申請的主設(shè)備號，hpi_dev為設(shè)備名，hpi_fops為struct file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其作用是聲明設(shè)備的入口點(diǎn)函數(shù)，包括 hpi_open、hpi_release、hpi_read、hpi_write、hpi_mmap等操作。

ARM和DSP通過在DARAM中讀寫命令包和應(yīng)答包進(jìn)行通信，其格式為表1。

表1　HPI命令包與應(yīng)答包的格式

ARM發(fā)出的命令包分為三類：

(1)ID為 0x00的命令包用以判斷DSP是否在線，無參數(shù)，DSP收到此命令后，在讀地址中放入標(biāo)識號為0x00的應(yīng)答包，并以中斷方式通知ARM讀取數(shù)據(jù)作為應(yīng)答；

(2)ID為0x01的命令包用以命令DSP以幀為單位進(jìn)行視頻壓縮和傳輸，參數(shù)包含圖像分辨率等信息。應(yīng)答包參數(shù)為一幀圖像在SDRAM中的起始位和長度，此命令下DSP將連續(xù)以中斷方式告知ARM讀取一幀數(shù)據(jù)，形成視頻傳輸，直到其他命令到來；

(3)ID為 0x10的命令包用以命令 DSP測量覆冰厚度，并傳輸一張覆冰圖像。應(yīng)答包參數(shù)包含覆冰厚度（float型）和覆冰圖像的起始位、長度。

4.2覆冰厚度測量算法

命令包 ID為 0x01時，DSP以差值編碼的方式壓縮一幀視頻圖像，以中斷方式編號發(fā)送給ARM，接著DSP處理下一幀圖像，并重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)視頻傳送。當(dāng)命令包ID為0x10時，DSP首先進(jìn)行覆冰厚度計算，其次將處理后的覆冰圖像壓縮為JPEG發(fā)送給ARM，即可等待下一步指令。這里，主要介紹覆冰厚度測量算法。

使用DSP進(jìn)行覆冰厚度的計算主要使用邊緣檢測算法，在檢測之前，首先要對攝像機(jī)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的過程為：

(1)圖像由彩色圖轉(zhuǎn)為灰度圖；

(2)多幀圖像采集求平均來濾除非周期性噪聲；

(3)采用圖像直方圖均衡化增強(qiáng)圖像對比度；

(4)使用維納濾波消除導(dǎo)線因震動產(chǎn)生的單方向偏移；

(5)使用中值濾波濾除圖像中的孤立點(diǎn)噪聲。

預(yù)處理之后，就要對圖像進(jìn)行邊緣檢測。采用傳統(tǒng)的邊緣檢測算法時，檢測到的邊緣往往極為分散，一些透明覆冰無法檢測到，如果單純減小檢測的閾值，又會無法避免一些噪聲和無用的邊緣。另外，采用單一閾值無法應(yīng)對不同環(huán)境和覆冰情況。因此這里使用模極大值邊緣檢測算法結(jié)合多閾值邊緣檢測來正確定位目標(biāo)邊緣，其主要思想為使用多個閾值作模極大值邊緣檢測，從閾值較高的邊緣點(diǎn)中搜索8個領(lǐng)域內(nèi)小閾值下的邊緣點(diǎn)進(jìn)行連接。其算法步驟為：

(1)對二維高斯函數(shù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，其x、y方向上變換后的結(jié)果為[5]：

式中，x、y為離散值，取值為1～N(N為偶數(shù))。N過小會使檢測的邊緣過于分散；N過大不僅會使運(yùn)算量變大，還會使卷積結(jié)果產(chǎn)生行列方向上的偏移。經(jīng)過實(shí)踐選擇N為10；s為二進(jìn)小波的尺度，定義為 2m，小波分解尺度過多，一些弱邊緣信息會被濾除，選取m=2，可有效濾除高頻噪聲且保留有用邊緣信息。

(2)圖像 f(x，y)與高斯小波函數(shù)在兩個方向上的二維小波變換為：

(3)求每一點(diǎn)的模值(式5)和相角的正切值(式6)，沿一個點(diǎn)的8個方向?qū)ふ夷O大值點(diǎn)。

(4)分別定義3個閾值T1=0.4、T2=0.1、T3=0.05（該值反復(fù)實(shí)踐后能較好地實(shí)現(xiàn)不同情況下的覆冰檢測），尋找符合閾值條件的模極大值點(diǎn)，并賦值為1，此時T1、T2、T3中的圖像為二值圖。

(5)遍歷T2中的點(diǎn)，如果該點(diǎn)為 1，則將周圍 8個點(diǎn)賦值為T3中對應(yīng)坐標(biāo)的值。使用T1和T2重復(fù)該過程，最后結(jié)果保存在T1中。

(6)為了使目標(biāo)邊緣更為平滑，使用各向同性的圓盤形結(jié)構(gòu)元素對T1中的圖像進(jìn)行膨脹腐蝕填充，最后標(biāo)出輪廓線。

傳統(tǒng)電力線覆冰厚度計算中，使用橫向線型結(jié)構(gòu)元素腐蝕圖像中的冰凌，以去除對測量結(jié)果的影響[6]，該方法明顯會縮小正常的覆冰厚度，引起誤差。因此，這里采用的算法為：

在最初安裝完攝像機(jī)時，對沒有覆冰的接觸線進(jìn)行拍攝，由于接觸線厚度C已知，兩邊緣之間像素個數(shù)為N，則每一像素對應(yīng)的長度x=C/N；由上到下掃描每一列，尋找每列中兩個間隔最遠(yuǎn)的點(diǎn)，計算兩點(diǎn)之間的間隔 nx(x為列下標(biāo))；設(shè)定冰凌長度閾值 T（統(tǒng)計 nx后得出），分別將nx中小于T的部分和大于T的部分相加求平均，則覆冰厚度為，冰凌長度為。

平均覆冰厚度的公式為：

平均冰凌長度為：

5　系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)運(yùn)行后可以觀看到由現(xiàn)場傳來的視頻信號，連續(xù)準(zhǔn)確，無卡幀現(xiàn)象。監(jiān)測系統(tǒng)得到的邊緣圖像能夠準(zhǔn)確反映原圖的覆冰情況，邊緣為單一像素，連續(xù)性好，且沒有噪聲。覆冰圖像如圖5所示，測量結(jié)果如表2所示。

圖5　圖像邊緣檢測結(jié)果

表2　系統(tǒng)測量結(jié)果及人工測量數(shù)據(jù)

分析后發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速為 4～6 m/s且環(huán)境濕度較大時，圖像測量和人工測量的覆冰厚度有較大出入。這是因?yàn)樵谠摋l件下容易形成冰凌，人工測量選取的測量點(diǎn)較少，容易忽略冰凌的影響，而圖像測量對每一個位置都進(jìn)行掃描，測量值更為有效準(zhǔn)確，其覆冰厚度的測量誤差不大于兩個像素間的距離2x。

6　結(jié)論

接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)集成了視頻采集、覆冰厚度測量、導(dǎo)線溫度測量和現(xiàn)場微氣象采集，為接觸網(wǎng)巡視提供新的方法：

(1)針對現(xiàn)場特點(diǎn)，對傳感器部分均進(jìn)行特殊選型設(shè)計，實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境以及正常行車下的接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測。

(2)采用3種命令包與應(yīng)答包的HPI接口通信方式，使ARM和DSP分工協(xié)作，保證視頻傳輸速率和復(fù)雜覆冰厚度計算。

(3)針對不同情況下的覆冰邊緣，在使用傳統(tǒng)的模極大值邊緣檢測算法后，融合多閾值下的覆冰圖像，提高邊緣提取的準(zhǔn)確度和連續(xù)性；提出了覆冰厚度與冰凌長度的計算公式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量中只能測量覆冰厚度的不足。該計算方法的誤差不大于兩個像素間的距離2x。參考文獻(xiàn)

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Design of ice coating monitoring system on contact wires of electrical railways based on DSP and ARM

Zhang Xuewu
(First Survey&Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi′an 710043，China)

To prevent the ice damage on contact wires and provide support to the melting ice,a monitoring system of ice coating on contact wires is designed,integrating the functions of video transmission,ice thickness measurement,wire temperature measurement,and the micro meteorological collection.The structure of the system including control unit and sensors,the selection of micro meteorological sensor,the design of wire temperature sensor,the electromagnetic shielding and anti-freezing design of camera are described briefly.The hardware and software of the control unit are introduced in details.The application of the HPI interface communication between DSP and ARM is studied and applied,which enables the transmission of videos and process of images by DSP, and the transmission of control signal and measurement data by ARM through EPON.The edge detection algorithm based on modulus maxima is optimized by the algorithm with the multiple threshold edges.The equations of ice thickness and the length of ice are put forward in the end.

contact wires；ice coating；HPI interface；edge detection

TM932

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.021

2016-01-21)

張學(xué)武（1984-），男，碩士，工程師，主要研究方向：牽引供電系統(tǒng)及接觸網(wǎng)、數(shù)字信號檢測及處理。

中文引用格式：張學(xué)武.基于 DSP和ARM的電氣化鐵路接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：74-77.

英文引用格式：Zhang Xuewu.Design of ice coating monitoring system on contact wires of electrical railways based on DSP and ARM[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：74-77.