采用DSP的鐵路道口圖像監控系統設計

　　目前，鐵路道口基本有這樣3種類(lèi)型：有人看管、有人監護和無(wú)人看守監護。長(cháng)期以來(lái)，鐵路部門(mén)對有人看管道口和有人監護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)報警信號為主要設施的技術(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)報警裝置僅考慮到了加強道口自身監管、防止道口肇事的問(wèn)題，而未兼顧到移動(dòng)的列車(chē)存道口出現異常情況時(shí)，如何及時(shí)防止道口沖突的問(wèn)題。為了使道口安全得到進(jìn)一步控制，設計了一套基于DSP鐵路道口圖像監控系統，使列車(chē)在通過(guò)道口前的適當距離內，司機能及時(shí)通過(guò)GSM-R接收到系統對道口判斷的最終結果。這對確保列車(chē)和通過(guò)道口的車(chē)輛、行人的安全具有重要意義。

系統整體框架

系統基本組成

　　從圖1可知，該系統主要由工業(yè)攝像機、數據緩存器、DSP處理器、CPLD芯片、道口發(fā)送設備和機車(chē)接收設備組成。兩臺工業(yè)攝像機分別安裝在道口兩端，用于攝錄道口兩端行人和車(chē)輛運行情況。數據緩存器是將攝像頭采集到的圖像數據，經(jīng)過(guò)USB接口電路的轉換作臨時(shí)緩存，以備圖像處理部分調用。CPLD芯片和DSP處理器是整個(gè)硬件系統的核心，它主要負責對鐵路道口的數據進(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(pán)用于存儲道口發(fā)生故障時(shí)的照片。

系統工作原理

　　該系統的工作原理為：在列車(chē)駛近道口1500m～2000m時(shí)，安裝在道口兩側的攝像頭開(kāi)始實(shí)時(shí)拍攝道口周?chē)那闆r，將采集到的視頻圖像通過(guò)A／D采樣，得到動(dòng)態(tài)序列圖像幀，并將圖像幀送入數據緩存區。在CPLD的控制協(xié)助下，將數據緩存區的數據讀入DSP中。根據系統設計的算法，進(jìn)行道口圖像數據的處理，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(pán)中；同時(shí)將系統分析的的結果代碼的方式通過(guò)鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統GSM-R傳給火車(chē)機車(chē)的特定接收設備，機車(chē)司機根據接收到的信號代碼便知道前方道口的情況，采取相應的應急措施，從而避免道口事故的發(fā)生。

系統設計方案件

系統核心部件介紹

　　TMS320C6202足美國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)數字處理器，主頻最高可為250MHz，最大處理能力可達 2000MIPS；具有八級流水線(xiàn)，每指令周期可執行8條32位的指令；超長(cháng)指令字結構，支持32位、16位、8位數據；有四個(gè)主DMA通道和一個(gè)DMA 輔助通道，通過(guò)32位的EMIF接口允許外接不同的設備，包括SBSRAM、SDRAM、ASRAM、FLASH以及FIFO等。EPM7128SQC100的內部具有邏輯陣列塊(LAB)、宏單元、擴展乘積項 (共享和并聯(lián))、可編程連線(xiàn)陣列(PIA)及I／O控制塊。它提供低功耗工作模式，可使用戶(hù)定義的信號路徑或整個(gè)器件工作在低功耗狀態(tài)。內部包含一個(gè)可編程保密位，用于控制器件內部配置數據的讀出。此芯片可以快速而有效地重新編程，并保證可編程和擦寫(xiě)超過(guò)100次。FN74V245是美國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)鐘驅動(dòng)的同步等特點(diǎn)。作為同步器件，意味著(zhù)FIFO的兩端(讀／寫(xiě))，每一端使用一個(gè)獨立的時(shí)鐘驅動(dòng)信號，這兩端的時(shí)鐘信號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是美國半導體Cypress公司生產(chǎn)的作為DSP擴充RAM，數據傳輸頻率最高可為166MHz，存儲空間為128k×32。

系統硬件設計

　　圖像的數據量很大，算法復雜程度高，提出了基于DSP的鐵路道口圖像監控系統的設計方案。同時(shí)利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或復雜可編程邏輯器件(CPLD) 很強的靈活性特點(diǎn)，來(lái)完成系統的時(shí)序邏輯控制。按照信號流程，該系統的硬件設計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、發(fā)送信號代碼和機車(chē)接收信號代碼。系統的硬件結構如圖2所示，其中DSP選用TMS320C6202，CPLD選用EPM7512BQC208-5，數據發(fā)送模塊選用西門(mén)子公司的MC55芯片?？紤]到目前國內外生產(chǎn)的工業(yè)攝像機能直接輸出數字化圖像且帶有USB接口，通過(guò)USB接口電路直接和FIFO相連。系統選用CY7C1339B作為系統的數據存儲器來(lái)存儲數字視頻信號，用SS39VF400A作為系統的程序存儲器；通過(guò)DSP的外部接口EMIF，將DSP與這兩個(gè)存儲器相連。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，采集到的視頻數據在同步時(shí)鐘驅動(dòng)下寫(xiě)入緩存器中；它的后端與主處理器DSP的32位XBUS連接。PEPM7512BQC208-5芯片負責DSP之間的協(xié)同、復雜外設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(pán)相連。

系統軟件設計

　　采用模塊化的軟件設計，將軟件分成若干相對的獨立的功能模塊，并為各模塊安排適當的入口和出口參數，使得模塊之間的相互連接，組合靈活方便。該系統的軟件主要由：圖像采集模塊、圖像處理模塊、數據發(fā)送模塊和機車(chē)接收模塊這四大部分組成。本系統是基于DSP的實(shí)時(shí)圖像處理系統，DSP的主程序貫穿了整個(gè)系統的運行，包括對采集圖像的搬移以及處理、與外部存儲器SDRAM和Flash、移動(dòng)硬盤(pán)和道口發(fā)送設備接口等等。為了程序實(shí)現方便，主框架用C實(shí)現，具體的算法實(shí)現中，對于一些關(guān)鍵代碼，用嵌入匯編來(lái)實(shí)現，并作相應的軟件優(yōu)化，以提高程序運行效率。在C6202完成上電啟動(dòng)或復位以后，DSP程序加載與啟動(dòng)，完成系統的初始化以及各個(gè)參數的設置，即系統自舉，隨后開(kāi)始等待外部中斷。當觸發(fā)采集圖像外部中斷工NT 1產(chǎn)生后，DSP啟動(dòng)攝像機內部采集芯片，圖像采集模塊開(kāi)始運行。當FIFO半滿(mǎn)的時(shí)候產(chǎn)生工 NT 3中斷，通過(guò)編寫(xiě)的中斷服務(wù)子程序，DSP開(kāi)始搬移圖像數據。當采集完一幅圖像以后產(chǎn)生工NT 2中斷，通過(guò)編寫(xiě)的中斷服務(wù)子程序，DSP開(kāi)始圖像處理。當圖像處理完成后，需要將處理結果通過(guò)McBSP接口發(fā)送到給道門(mén)發(fā)送設備接口，同時(shí)也通過(guò) EDMA接口將道口故障圖像發(fā)送給移動(dòng)硬盤(pán)。限于篇幅，本文只給出 DSP的主程序流程圖，如圖3所示。

結束語(yǔ)

　　基于DSP的鐵路道口圖像監控系統是數字圖像處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)相結合的結果，它真正實(shí)現了鐵路道口安全管理的自動(dòng)化和信息化。該系統設計方案拋開(kāi)了傳統圖像監控系統中攝像機一監視器的模式，將計算機對數字圖像的處理和控制全部用硬件芯片(如DSP、CPLD)等器件來(lái)完成。系統的最終結果不足將視頻圖像顯示出來(lái)，而是對視頻圖像中的目標進(jìn)行識別和分類(lèi)；判斷鐵路道口是否有故障，

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