采用DSP的鐵路道口圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　目前，鐵路道口基本有這樣3種類型：有人看管、有人監(jiān)護(hù)和無人看守監(jiān)護(hù)。長(zhǎng)期以來，鐵路部門對(duì)有人看管道口和有人監(jiān)護(hù)道口投入了人量的人力、物力，采取了安全措施，特別是有人看管道口，以道口自動(dòng)報(bào)警信號(hào)為主要設(shè)施的技術(shù)裝備已基本完善，為道口自身的安全管理創(chuàng)造了較好條件。但是，道口自動(dòng)報(bào)警裝置僅考慮到了加強(qiáng)道口自身監(jiān)管、防止道口肇事的問題，而未兼顧到移動(dòng)的列車存道口出現(xiàn)異常情況時(shí)，如何及時(shí)防止道口沖突的問題。為了使道口安全得到進(jìn)一步控制，設(shè)計(jì)了一套基于DSP鐵路道口圖像監(jiān)控系統(tǒng)，使列車在通過道口前的適當(dāng)距離內(nèi)，司機(jī)能及時(shí)通過GSM-R接收到系統(tǒng)對(duì)道口判斷的最終結(jié)果。這對(duì)確保列車和通過道口的車輛、行人的安全具有重要意義。

系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)基本組成

　　從圖1可知，該系統(tǒng)主要由工業(yè)攝像機(jī)、數(shù)據(jù)緩存器、DSP處理器、CPLD芯片、道口發(fā)送設(shè)備和機(jī)車接收設(shè)備組成。兩臺(tái)工業(yè)攝像機(jī)分別安裝在道口兩端，用于攝錄道口兩端行人和車輛運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)緩存器是將攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過USB接口電路的轉(zhuǎn)換作臨時(shí)緩存，以備圖像處理部分調(diào)用。CPLD芯片和DSP處理器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它主要負(fù)責(zé)對(duì)鐵路道口的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，從而判斷該道口是否有故障。移動(dòng)硬盤用于存儲(chǔ)道口發(fā)生故障時(shí)的照片。

系統(tǒng)工作原理

　　該系統(tǒng)的工作原理為：在列車駛近道口1500m～2000m時(shí)，安裝在道口兩側(cè)的攝像頭開始實(shí)時(shí)拍攝道口周圍的情況，將采集到的視頻圖像通過A／D采樣，得到動(dòng)態(tài)序列圖像幀，并將圖像幀送入數(shù)據(jù)緩存區(qū)。在CPLD的控制協(xié)助下，將數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)讀入DSP中。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的算法，進(jìn)行道口圖像數(shù)據(jù)的處理，判定道口是否存在故障。如道口存在故障，則將相關(guān)的圖像存入移動(dòng)硬盤中；同時(shí)將系統(tǒng)分析的的結(jié)果代碼的方式通過鐵路無線通信系統(tǒng)GSM-R傳給火車機(jī)車的特定接收設(shè)備，機(jī)車司機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)代碼便知道前方道口的情況，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，從而避免道口事故的發(fā)生。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案件

系統(tǒng)核心部件介紹

　　TMS320C6202足美國(guó)TI公司生產(chǎn)的作為處理該模塊的核心處理器，它屬于定點(diǎn)數(shù)字處理器，主頻最高可為250MHz，最大處理能力可達(dá) 2000MIPS；具有八級(jí)流水線，每指令周期可執(zhí)行8條32位的指令；超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，支持32位、16位、8位數(shù)據(jù)；有四個(gè)主DMA通道和一個(gè)DMA 輔助通道，通過32位的EMIF接口允許外接不同的設(shè)備，包括SBSRAM、SDRAM、ASRAM、FLASH以及FIFO等。EPM7128SQC100的內(nèi)部具有邏輯陣列塊(LAB)、宏單元、擴(kuò)展乘積項(xiàng) (共享和并聯(lián))、可編程連線陣列(PIA)及I／O控制塊。它提供低功耗工作模式，可使用戶定義的信號(hào)路徑或整個(gè)器件工作在低功耗狀態(tài)。內(nèi)部包含一個(gè)可編程保密位，用于控制器件內(nèi)部配置數(shù)據(jù)的讀出。此芯片可以快速而有效地重新編程，并保證可編程和擦寫超過100次。FN74V245是美國(guó)TI的生產(chǎn)的同步高速緩沖器器件。它具有高速、低功耗CMOS和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的同步等特點(diǎn)。作為同步器件，意味著FIFO的兩端(讀／寫)，每一端使用一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這兩端的時(shí)鐘信號(hào)之間可以是異步的也可以是協(xié)作的，這就可以使FIFO器件兩端運(yùn)行存兩個(gè)不同的速度下，完成兩個(gè)不同頻率器件的速度匹配。Y7C 1339-166AC是美國(guó)半導(dǎo)體Cypress公司生產(chǎn)的作為DSP擴(kuò)充RAM，數(shù)據(jù)傳輸頻率最高可為166MHz，存儲(chǔ)空間為128k×32。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　圖像的數(shù)據(jù)量很大，算法復(fù)雜程度高，提出了基于DSP的鐵路道口圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD) 很強(qiáng)的靈活性特點(diǎn)，來完成系統(tǒng)的時(shí)序邏輯控制。按照信號(hào)流程，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大致可分為六大模塊：圖像捕獲、時(shí)序控制、DSP圖像處理和圖像外部存儲(chǔ)、發(fā)送信號(hào)代碼和機(jī)車接收信號(hào)代碼。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中DSP選用TMS320C6202，CPLD選用EPM7512BQC208-5，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊選用西門子公司的MC55芯片?？紤]到目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的工業(yè)攝像機(jī)能直接輸出數(shù)字化圖像且?guī)в蠻SB接口，通過USB接口電路直接和FIFO相連。系統(tǒng)選用CY7C1339B作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)數(shù)字視頻信號(hào)，用SS39VF400A作為系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器；通過DSP的外部接口EMIF，將DSP與這兩個(gè)存儲(chǔ)器相連。SN74V245作為一種高速緩存器，較好地解快了視頻采集圖像速度和DSP處理圖像端速度的巨大差異。它的前端與攝像頭的USB接口相連，采集到的視頻數(shù)據(jù)在同步時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下寫入緩存器中；它的后端與主處理器DSP的32位XBUS連接。PEPM7512BQC208-5芯片負(fù)責(zé)DSP之間的協(xié)同、復(fù)雜外設(shè)的控制和一些通信工作，外部接口分別與SN74V245、TMS320C6202、SS39VF400A和移動(dòng)硬盤相連。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)，將軟件分成若干相對(duì)的獨(dú)立的功能模塊，并為各模塊安排適當(dāng)?shù)娜肟诤统隹趨?shù)，使得模塊之間的相互連接，組合靈活方便。該系統(tǒng)的軟件主要由：圖像采集模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和機(jī)車接收模塊這四大部分組成。本系統(tǒng)是基于DSP的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，DSP的主程序貫穿了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括對(duì)采集圖像的搬移以及處理、與外部存儲(chǔ)器SDRAM和Flash、移動(dòng)硬盤和道口發(fā)送設(shè)備接口等等。為了程序?qū)崿F(xiàn)方便，主框架用C實(shí)現(xiàn)，具體的算法實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于一些關(guān)鍵代碼，用嵌入?yún)R編來實(shí)現(xiàn)，并作相應(yīng)的軟件優(yōu)化，以提高程序運(yùn)行效率。在C6202完成上電啟動(dòng)或復(fù)位以后，DSP程序加載與啟動(dòng)，完成系統(tǒng)的初始化以及各個(gè)參數(shù)的設(shè)置，即系統(tǒng)自舉，隨后開始等待外部中斷。當(dāng)觸發(fā)采集圖像外部中斷工NT 1產(chǎn)生后，DSP啟動(dòng)攝像機(jī)內(nèi)部采集芯片，圖像采集模塊開始運(yùn)行。當(dāng)FIFO半滿的時(shí)候產(chǎn)生工 NT 3中斷，通過編寫的中斷服務(wù)子程序，DSP開始搬移圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)采集完一幅圖像以后產(chǎn)生工NT 2中斷，通過編寫的中斷服務(wù)子程序，DSP開始圖像處理。當(dāng)圖像處理完成后，需要將處理結(jié)果通過McBSP接口發(fā)送到給道門發(fā)送設(shè)備接口，同時(shí)也通過 EDMA接口將道口故障圖像發(fā)送給移動(dòng)硬盤。限于篇幅，本文只給出 DSP的主程序流程圖，如圖3所示。

結(jié)束語

　　基于DSP的鐵路道口圖像監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)字圖像處理技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，它真正實(shí)現(xiàn)了鐵路道口安全管理的自動(dòng)化和信息化。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案拋開了傳統(tǒng)圖像監(jiān)控系統(tǒng)中攝像機(jī)一監(jiān)視器的模式，將計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像的處理和控制全部用硬件芯片(如DSP、CPLD)等器件來完成。系統(tǒng)的最終結(jié)果不足將視頻圖像顯示出來，而是對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分類；判斷鐵路道口是否有故障，

將判斷結(jié)果用代碼的方式通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳送給駛近道口的列車。該系統(tǒng)能及時(shí)將道口信息反饋給正在行駛的列車，有效解決道口交義路口的事故隱患，為確保鐵路道口行車安全提供保障。