基于SOPC的列車環(huán)境異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：研究一種基于SOPC技術(shù)的列車分布式環(huán)境異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸集成到單片F(xiàn)PGA上，采集和處理部分用硬件描述語言編寫成硬件模塊，作為外設(shè)掛到NiosⅡ系統(tǒng)中，傳輸部分采用以太網(wǎng)接口IP核，構(gòu)建成SOPC系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí)，用戶可以方便地添加IP核來擴(kuò)展系統(tǒng)功能。最后，在Altera公司的DE2開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng)(SOPC)；異物侵限；視頻采集；NiosⅡ

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，鐵路客貨運(yùn)輸量不斷增加，列車運(yùn)行速度不斷提高，給鐵路安全監(jiān)控帶來巨大的壓力，其中鐵路異物侵限嚴(yán)重影響到列車的運(yùn)行安全。由于列車在露天高速行駛中環(huán)境因素不可預(yù)測，軌道異物侵限可能會(huì)給行車安全帶來嚴(yán)重后果。軌道異物是指鐵道上影響到正常行車安全的障礙物，如山體滑坡、泥石流塌方等造成的道上沙石、橋梁隧道掉落的懸掛物、因報(bào)警失誤仍滯留在道上作業(yè)的工務(wù)人員以及相關(guān)裝備。由于鐵路異物侵限檢測系統(tǒng)的高速度、低漏檢率、低誤報(bào)率等要求，使傳統(tǒng)的以軟件為核心的IDS面臨著越來越大的壓力，僅靠模式匹配算法的改進(jìn)對(duì)入侵檢測速度的提高是有限的，不是解決問題的根本策略。
SOPC(System On a Programmable Chip)稱為可編程片上系統(tǒng)，它是一種靈活高效地解決方案，而且設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低。SOPC Bu-ilder是Altera公司實(shí)現(xiàn)SOPC概念的一款工具軟件，用于組建一個(gè)在模塊級(jí)和組件級(jí)定義的系統(tǒng)。SOPC Builder的組件庫包含了從簡單的固定邏輯功能塊到復(fù)雜的、參數(shù)化的、可以動(dòng)態(tài)生成的子系統(tǒng)等一系列的組件，用戶還可簡單地創(chuàng)建定制的SOPC Builder組件，方便地實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的配置。本文給出一種分布式列車環(huán)境異物入侵的前端監(jiān)測系統(tǒng)，通過在FPGA上構(gòu)建NiosⅡ軟核處理器、各種各樣的外設(shè)和自定義組件等，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)定制的SOPC實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，完成對(duì)前端視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到列車控制中心。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
本系統(tǒng)采用SOPC實(shí)現(xiàn)分布式列車環(huán)境異物入侵前端監(jiān)測功能。一個(gè)NiosⅡ處理器系統(tǒng)由NiosⅡCPU和一系列的外設(shè)組成，開發(fā)基于Nios-Ⅱ的嵌入式系統(tǒng)，關(guān)鍵在于如何根據(jù)功能需要定制NiosⅡ及設(shè)計(jì)自定義接口。系統(tǒng)采用ADV7l8lB完成模擬視頻解碼處理，完成CVBS等模擬視頻信號(hào)到Y(jié)CrCb數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，用硬件描述語言(VHDL)設(shè)計(jì)視頻數(shù)據(jù)采集模塊IP核，來實(shí)現(xiàn)前端的視頻數(shù)據(jù)采集。由于采集的視頻數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，這給存儲(chǔ)和傳輸都帶來了很大的不便，需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以降低數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)采用VHDL設(shè)計(jì)相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)處理模塊IP核。最后把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到列車控制中心，以太網(wǎng)接口模塊用友晶科技提供的太網(wǎng)接口IP。將這些IP核以自定義組件的形成添加到Nios-Ⅱ系統(tǒng)中去，并添加一些必要的存儲(chǔ)器、人機(jī)接口和定時(shí)器等，構(gòu)建成所需的SOPC系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖l所示。