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鐵路路外傷亡事故時(shí)常發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失，給列車(chē)正常運行帶來(lái)了極大危害。京津城際鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)以及武廣客運專(zhuān)線(xiàn)的順利開(kāi)通，對列車(chē)運行安全提出了新的要求。列車(chē)速度快、慣性大，僅憑列車(chē)司機肉眼來(lái)判別路障，很難保證路障的有效檢測，并且即使發(fā)現路障，采取措施往往為時(shí)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(shí)為列車(chē)司機提供報警的裝置。文獻、文獻給出的鐵路路障視頻檢測報警算法，主要針對于直線(xiàn)軌道路段而未對危險性更高的曲線(xiàn)區段進(jìn)行詳細探討。本文實(shí)現的鐵路路障視頻報警系統能夠有效提取直線(xiàn)和曲線(xiàn)鐵軌框架，以確定有效報警區域，不僅適用于鐵路平交道口，還適用于鐵路轉彎處、隧道出入口以及隧道內，具有更廣泛的應用場(chǎng)合。 1 系統組成 傳統視頻監控系統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(huì )耗費大量的存儲介質(zhì)；基于PC的視頻監控系統雖然功能較強，便于現場(chǎng)調試，但其穩定性差、結構復雜、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(shù)和無(wú)線(xiàn)報警技術(shù)的嵌入式鐵路路障視頻報警系統。該系統可脫離PC機使用，系統結構框圖如圖1所示。系統的整體構架是將攝像機安裝在需要監控的鐵軌路段，采集視頻圖像傳送給DSP處理器，根據相應的圖像處理程序進(jìn)行處理和分析。如果存在路障，則通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將報警信號發(fā)送到安置于列車(chē)上的無(wú)線(xiàn)接收裝置，機車(chē)司機根據報警信號采取相應的應急措施，從而避免事故的發(fā)生。 2 系統設計方案 2.1 系統硬件設計 系統外圍配置可分為5大模塊：電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、EMIF內存擴展模塊、可編程邏輯模塊和無(wú)線(xiàn)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(chǎng)家的外圍芯片。系統總體框圖如圖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(zhuān)用視頻處理芯片，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(gè)可配置的視頻端口(VP0、VP1、VP2)、1個(gè)以太網(wǎng)控制器(EMAC)、1個(gè)管理數據輸入輸出(MDIO)、1個(gè)內插VCXO控制接口、1個(gè)I2C總線(xiàn)、3個(gè)32 bit通用定時(shí)器、1個(gè)用戶(hù)配置的16 bit或32 bit主機接口(HPI16/HPI32)、1個(gè)PCI、1個(gè)16引腳的通用輸入輸出口(GP0)、1個(gè)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，本系統選用它作為視頻信號輸入格式轉換芯片。TVP5150PBS功耗低、體積小，正常工作時(shí)，功耗僅為115 mW。支持NTSC/PAL/SECAM等格式，輸入信號按照YcbCr 4：2：2的格式轉化成數字信號，以8 bit內嵌同步信號的ITU-RBT.656格式輸出。 DM642和TVP5150PBS連接構成系統的圖像采集部分。DM642通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現對TVP5150PBS芯片的操作，系統將VP0配置為單通道視頻輸入口，INTREQ為DM642的VP口的CAPEN信號，用來(lái)控制VP口對數據視頻流進(jìn)行采集；SCLK為DM642提供2倍像素時(shí)鐘信號，用來(lái)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(shí)，使用10 bit數據總線(xiàn)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 電源模塊在系統設計中起著(zhù)重要作用。特別是在高速電子設計中，穩定可靠的電源供電是系統能否正常工作的關(guān)鍵。本系統的電源管理模塊分為供電電路和電源監測電路。 (1)供電電路 DM642芯片需要2個(gè)獨立的電壓：1.4 V的內核電壓和3.3 V的I/O以及其他外圍芯片的電壓。TI公司的DSP并不要求內核供電與I/O口供電有特殊的上電順序，然而，設計時(shí)必須保證當其他供電值低于合適的操作電壓時(shí)，系統所有供電的上電時(shí)間不超過(guò)1 s，否則極易對芯片造成損害。從系統級考慮，總線(xiàn)競爭要求按順序上電，即內核上電不晚于I/O口。為解決這一問(wèn)題，本系統選用2片TI公司的TPS54310分別提供這2種電壓，在電路設計時(shí)，將TPS54310(1)的PWRGD引腳連接到TPS54310(2)的SS/EN引腳，即可保證DM642內核上電早于I/O的上電。硬件電路如圖4所示。 (2)電源監測電路 為了保證DM642芯片內核電壓和I/O電源未達到要求電平時(shí)，系統處于復位狀態(tài)，當電壓下降至設定值時(shí)，產(chǎn)生復位信號，并且允許系統在任意時(shí)刻都可以通過(guò)復位來(lái)調整工作狀態(tài)。設計中選用TI公司的TPS3823-33芯片，對系統中使用最多的+3.3 V電壓進(jìn)行監測，提高系統的可靠性。 2.1.3 時(shí)鐘模塊 在設計DSP系統時(shí)，應盡量使用DSP片內鎖相環(huán)(PLL)，以降低片外時(shí)鐘頻率，提高系統穩定性。CLKMODE[1:0]和AEA[20:19]主要用于對系統時(shí)鐘的設置。本系統的輸入時(shí)鐘CLKIN為50 MHz，將CLKMODE[1:0]設置為10，即片內PLL設置為×12，則CPU內核頻率為600 MHz；ECLKIN=133 MHz，將AEA[20:19]設置為00，則EMIF的時(shí)鐘為ECLKIN，即133 MHz。為使得到的時(shí)鐘頻率抖動(dòng)最小，必須利用干凈的電源為DM642的外部晶振電路供電，同時(shí)，最小的CLKIN上升和下降時(shí)間也要考慮。系統中所使用到的時(shí)鐘頻率還有視頻解碼芯片所需的14.31818 MHz。以上用到多個(gè)不同頻率的時(shí)鐘信號，本設計中選用2片Cypress Semiconductor公司生產(chǎn)的CY22381芯片來(lái)提供。 2.1.4 EMIF內存擴展模塊 由于系統主要用于視頻圖像處理，所以運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的數據�？紤]到系統程序運行也要占用大量的存儲空間，DM642內部?jì)H有的256 KB的SRAM已不能滿(mǎn)足系統正常運行的需求。DM642提供了1個(gè)64 bit EMIF接口，該接口有64 bit數據線(xiàn)、20根地址線(xiàn)以及一系列控制總線(xiàn)，方便用戶(hù)擴展外部存儲空間。系統采用2片Hynix Semiconductor公司生產(chǎn)的HY57283220(4Banks×1 M×32 bit)構成4 M×64 bit的外部RAM空間，同時(shí)選用了一片AM29LV033C的FLASH芯片構成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(xiàn)只有19根，另外3個(gè)頁(yè)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字系統設計中已得到廣泛應用，這類(lèi)器件可以通過(guò)軟件編程而對其硬件結構和工作方式進(jìn)行重構，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。本系統中由于要給外部FLASH提供3個(gè)頁(yè)地址并給無(wú)線(xiàn)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(yǔ)言為VHDL語(yǔ)言。輸入信號有：RESET復位信號，系統地址總線(xiàn)的3、4、5、6、7、22 bit；CE1空間片選信號；系統數據總線(xiàn)0"7 bit。輸出信號有：FLASH的片選信號；8 bit數字I/O輸出口；FLASH頁(yè)地址輸出口。 2.1.6 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 Nordic公司推出的nRF401是一個(gè)為433 MHz ISM頻段設計的真正UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，采用FSK調制技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)防盜和井下定位無(wú)線(xiàn)數據采集等系統中均有應用。本系統采用2片nRF401作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，1片隨系統裝置安裝在鐵道監控點(diǎn)，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，當系統判斷出現路障時(shí)，即通過(guò)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，便驅動(dòng)報警器通知列車(chē)司機。DIN是數據發(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(wú)需進(jìn)行數據編碼，若DIN=“1”，則f=f0+Δf；若DIN=“0”，則f=f0-Δf。DOUT是解調輸出腳，標準的CMOS電平輸出，若f=f0+Δf，則DOUT=“1”；若f=f0-Δf，則DOUT=“0”。 2.2 系統軟件設計 本系統是基于DSP的實(shí)時(shí)圖像采集處理系統，其軟件工作過(guò)程主要分為3個(gè)階段：(1)鐵路框架提取及監測范圍定標；(2)循環(huán)檢測指定范圍內路障并判斷動(dòng)向；(3)根據路障類(lèi)型發(fā)送報警信號。 該系統的總體流程圖如圖5所示。 2.2.1 鐵路框架提取及監測范圍定標 當系統開(kāi)始運行時(shí)，首先由CCD攝像頭將捕獲的圖像信息以結構幀的形式經(jīng)過(guò)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方式接收視頻口數據并存入板載的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(guò)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(xiàn)簇，然后根據判定準則從該曲線(xiàn)簇中提取出最接近路軌條件的初始化框架曲線(xiàn)，最后根據接續準則將初始化框架曲線(xiàn)進(jìn)行接續，構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(xiàn)適當外擴，得到最終的路障監測區域。該階段僅在系統初始化程序中執行一次。 2.2.2 循環(huán)檢測指定范圍內路障并判斷動(dòng)向 當路軌監測范圍定標之后，系統進(jìn)入路障實(shí)時(shí)跟蹤階段。該階段將對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲。 首先是背景幀的獲取。每隔一定的循環(huán)次數，如果當前實(shí)時(shí)捕獲的圖像經(jīng)過(guò)判定后不需要報警，則將其設置為背景幀圖像，否則繼續循環(huán)判斷。 在周期更替的背景幀確定后，開(kāi)始路障監測。將每次獲取的新圖像與當前背景幀做差，并進(jìn)行基本的形態(tài)學(xué)操作（二值化、腐蝕等）后，進(jìn)入路障判定階段。 如果發(fā)現差值較大且具有廣泛分布性，則判定為光線(xiàn)變化，此時(shí)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，則不報警繼續循環(huán)捕獲新的實(shí)時(shí)圖像；如果差值處于路障判定范圍內，則將相差部分與鐵軌標定范圍相與，根據得到的不同結果分別對待。 (1)如果結果較大，則說(shuō)明此時(shí)有障礙物處于路軌范圍內，但不確定其動(dòng)向，等待下一次循環(huán)捕獲圖像進(jìn)行動(dòng)向判定，且此時(shí)即使達到更換背景幀的循環(huán)次數也不進(jìn)行更替；如果隨后的循環(huán)處理仍然發(fā)現有障礙物且運動(dòng)情況不足以確保安全，則判定為報警事件；否則其動(dòng)向判定為處于安全范圍，為非報警事件。 (2)如果結果較小，則說(shuō)明障礙物可忽略或處于鐵軌范圍之外，歸類(lèi)為非報警事件。 2.2.3 報警信號發(fā)送 如果經(jīng)過(guò)程序處理得到報警事件，則向行駛機車(chē)進(jìn)行路障報警。 3 系統測試 本文設計實(shí)現的基于DM642的鐵路路障視頻報警系統檢測圖分別如圖6、圖7所示，提取鐵軌框架以確定有效的報警范圍。當鐵軌上出現影響列車(chē)安全運行的路障時(shí)，報警系統能夠對路障進(jìn)行有效識別，產(chǎn)生報警信號，經(jīng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置向機車(chē)司機報警。 本文所設計實(shí)現的鐵路路障視頻報警裝置的嵌入式硬件結構使整個(gè)系統便于安裝和調試，能夠適應惡劣復雜的現場(chǎng)環(huán)境�；赥MS320DM642專(zhuān)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(xiàn)和曲線(xiàn)鐵軌框架并確定報警區域，有效判斷識別影響列車(chē)行車(chē)安全的鐵路路障。無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的采用有效解決了報警信號向運動(dòng)列車(chē)的傳輸問(wèn)題。本系統不僅適用于鐵路平交道口，還適用于鐵路轉彎處、隧道出入口以及隧道內，能有效減少路外傷亡事故，具有廣闊的應用前景。 |
