基于DM642的鐵路路障視頻報警系統(tǒng)設計

鐵路路外傷亡事故時常發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失，給列車正常運行帶來了極大危害。京津城際鐵路客運專線以及武廣客運專線的順利開通，對列車運行安全提出了新的要求。列車速度快、慣性大，僅憑列車司機肉眼來判別路障，很難保證路障的有效檢測，并且即使發(fā)現(xiàn)路障，采取措施往往為時已晚。這就迫切需要一套有效檢測鐵路路障并能遠距離及時為列車司機提供報警的裝置。文獻[1]、文獻[2]給出的鐵路路障視頻檢測報警算法，主要針對于直線軌道路段而未對危險性更高的曲線區(qū)段進行詳細探討。本文實現(xiàn)的鐵路路障視頻報警系統(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)，具有更廣泛的應用場合。

1 系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本信號為模擬信號，其傳輸距離短、擴展能力差，而且視頻信號的存儲會耗費大量的存儲介質(zhì)；基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然功能較強，便于現(xiàn)場調(diào)試，但其穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復雜、可靠性不高，不適用于室外惡劣的工業(yè)環(huán)境。本文設計了一種基于DSP、視頻圖像處理技術和無線報警技術的嵌入式鐵路路障視頻報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可脫離PC機使用，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)相應的圖像處理程序進行處理和分析。如果存在路障，則通過無線通信將報警信號發(fā)送到安置于列車上的無線接收裝置，機車司機根據(jù)報警信號采取相應的應急措施，從而避免事故的發(fā)生。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)外圍配置可分為5大模塊：電源管理模塊、時鐘模塊、EMIF內(nèi)存擴展模塊、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720 MHz，處理能力可達5 760 MIPS。DM642使用兩級緩存，具有豐富的外圍配置：3個可配置的視頻端口(VP0、VP1、VP2)、1個以太網(wǎng)控制器(EMAC)、1個管理數(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO)、1個內(nèi)插VCXO控制接口、1個I²C總線、3個32 bit通用定時器、1個用戶配置的16 bit或32 bit主機接口(HPI16/HPI32)、1個PCI、1個16引腳的通用輸入輸出口(GP0)、1個64 bit外部存儲接口（EMIF），支持異步存儲器和同步存儲器直接接口，共有1 024 MB可尋址外部存儲空間。

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輸入格式轉(zhuǎn)換芯片。TVP5150PBS功耗低、體積小，正常工作時，功耗僅為115 mW。支持NTSC/PAL/SECAM等格式，輸入信號按照YcbCr 4：2：2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以8 bit內(nèi)嵌同步信號的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總線實現(xiàn)對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，用來控制VP口對數(shù)據(jù)視頻流進行采集；SCLK為DM642提供2倍像素時鐘信號，用來控制DM642的視頻口對像素信號的采集；當DM642的視頻口作為8 bit視頻口時，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)設計中起著重要作用。特別是在高速電子設計中，穩(wěn)定可靠的電源供電是系統(tǒng)能否正常工作的關鍵。本系統(tǒng)的電源管理模塊分為供電電路和電源監(jiān)測電路。

(1)供電電路

DM642芯片需要2個獨立的電壓：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，設計時必須保證當其他供電值低于合適的操作電壓時，系統(tǒng)所有供電的上電時間不超過1 s，否則極易對芯片造成損害。從系統(tǒng)級考慮，總線競爭要求按順序上電，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，在電路設計時，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)測電路

為了保證DM642芯片內(nèi)核電壓和I/O電源未達到要求電平時，系統(tǒng)處于復位狀態(tài)，當電壓下降至設定值時，產(chǎn)生復位信號，并且允許系統(tǒng)在任意時刻都可以通過復位來調(diào)整工作狀態(tài)。設計中選用TI公司的TPS3823-33芯片，對系統(tǒng)中使用最多的+3.3 V電壓進行監(jiān)測，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.1.3 時鐘模塊

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

2.1.4 EMIF內(nèi)存擴展模塊

由于系統(tǒng)主要用于視頻圖像處理，所以運行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)程序運行也要占用大量的存儲空間，DM642內(nèi)部僅有的256 KB的SRAM已不能滿足系統(tǒng)正常運行的需求。DM642提供了1個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，方便用戶擴展外部存儲空間。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個頁地址由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)設計中已得到廣泛應用，這類器件可以通過軟件編程而對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，使硬件的設計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個頁地址并給無線發(fā)送模塊提供報警信號，選用ALTERA公司的FPGA器件EPF10K10LC84。設計中采用的硬件描述語言為VHDL語言。輸入信號有：RESET復位信號，系統(tǒng)地址總線的3、4、5、6、7、22 bit；CE1空間片選信號；系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線0~7 bit。輸出信號有：FLASH的片選信號；8 bit數(shù)字I/O輸出口；FLASH頁地址輸出口[6]。

2.1.6 無線收發(fā)模塊

Nordic公司推出的nRF401是一個為433 MHz ISM頻段設計的真正UHF無線收發(fā)芯片，采用FSK調(diào)制技術，在無線防盜和井下定位無線數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中均有應用。本系統(tǒng)采用2片nRF401作為無線收發(fā)設備，1片隨系統(tǒng)裝置安裝在鐵道監(jiān)控點，設置為發(fā)送模式，即TXEN=1，將其DIN接口與FPGA設計的8 bit字輸出口中的其中一位相連，當系統(tǒng)判斷出現(xiàn)路障時，即通過對FPGA的控制向DIN口發(fā)出報警信號。另一片安裝在駕駛室，設置為接收模式，即TXEN=0，其DOUT接口與報警器相連，當其接收到報警信號后，便驅(qū)動報警器通知列車司機。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，標準的CMOS電平輸出，若f=f₀+Δf，則DOUT=“1”；若f=f₀-Δf，則DOUT=“0”。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)是基于DSP的實時圖像采集處理系統(tǒng)，其軟件工作過程主要分為3個階段：(1)鐵路框架提取及監(jiān)測范圍定標；(2)循環(huán)檢測指定范圍內(nèi)路障并判斷動向；(3)根據(jù)路障類型發(fā)送報警信號。
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)測范圍定標

當系統(tǒng)開始運行時，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Canny邊緣檢測，得到包含路軌框架信息的曲線簇，然后根據(jù)判定準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)準則將初始化框架曲線進行接續(xù)，構(gòu)成程序能夠達到的完整的鐵軌框架。

獲取鐵軌框架后，將框架邊線適當外擴，得到最終的路障監(jiān)測區(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)檢測指定范圍內(nèi)路障并判斷動向

當路軌監(jiān)測范圍定標之后，系統(tǒng)進入路障實時跟蹤階段。該階段將對圖像進行實時捕獲。

首先是背景幀的獲取。每隔一定的循環(huán)次數(shù)，如果當前實時捕獲的圖像經(jīng)過判定后不需要報警，則將其設置為背景幀圖像，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。將每次獲取的新圖像與當前背景幀做差，并進行基本的形態(tài)學操作（二值化、腐蝕等）后，進入路障判定階段。

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，此時不報警，但立即用當前圖像更新背景幀；如果差值很小，可以忽略，則不報警繼續(xù)循環(huán)捕獲新的實時圖像；如果差值處于路障判定范圍內(nèi)，則將相差部分與鐵軌標定范圍相與，根據(jù)得到的不同結(jié)果分別對待。

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

(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，歸類為非報警事件。

2.2.3 報警信號發(fā)送

如果經(jīng)過程序處理得到報警事件，則向行駛機車進行路障報警。

3 系統(tǒng)測試

本文設計實現(xiàn)的基于DM642的鐵路路障視頻報警系統(tǒng)檢測圖分別如圖6、圖7所示，提取鐵軌框架以確定有效的報警范圍。當鐵軌上出現(xiàn)影響列車安全運行的路障時，報警系統(tǒng)能夠?qū)β氛线M行有效識別，產(chǎn)生報警信號，經(jīng)無線收發(fā)裝置向機車司機報警。

本文所設計實現(xiàn)的鐵路路障視頻報警裝置的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)使整個系統(tǒng)便于安裝和調(diào)試，能夠適應惡劣復雜的現(xiàn)場環(huán)境?；赥MS320DM642專業(yè)視頻處理平臺的視頻圖像處理算法能夠準確提取直線和曲線鐵軌框架并確定報警區(qū)域，有效判斷識別影響列車行車安全的鐵路路障。無線傳輸技術的采用有效解決了報警信號向運動列車的傳輸問題。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，具有廣闊的應用前景。