《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DM642的鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第7期
冒波波,彭 飛,陳維榮,王旭峰,陳珂寧
西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都610031
摘要: 基于TMS320DM642 DSP、視頻處理技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)組成模塊,分析了圖像采集、圖像處理和無(wú)線報(bào)警部分的具體功能。采用基于Canny邊緣檢測(cè)技術(shù)和聚合接續(xù)法的鐵路框架提取方法,實(shí)現(xiàn)了鐵軌曲線區(qū)段的提取。
中圖分類號(hào): TP277
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)07-0052-04
Design of rail obstacle video alarming system based on DM642
MAO Bo Bo,PENG Fei,CHEN Wei Rong,WANG Xu Feng,CHEN Ke Ning
School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chendu 610031,China
Abstract: Based on TMS320DM642 DSP,video processing technology and wireless transmission technology, an embedded obstacle alarming system aimed at railway monitor was designed in this paper. The overall structure and individual modules of the system were introduced in this paper, as well as the specific features of image acquisition, image processing and wireless alarm. By the method of abstraction based on canny edge detection and poly-connection,the abstraction of curve rail-framework was achieved.
Key words : DM642;obstacle detection;the abstraction of curve rail-framework;wireless alarm

    鐵路路外傷亡事故時(shí)常發(fā)生,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失,給列車正常運(yùn)行帶來(lái)了極大危害。京津城際鐵路客運(yùn)專線以及武廣客運(yùn)專線的順利開通,對(duì)列車運(yùn)行安全提出了新的要求。列車速度快、慣性大,僅憑列車司機(jī)肉眼來(lái)判別路障,很難保證路障的有效檢測(cè),并且即使發(fā)現(xiàn)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(cè)鐵路路障并能遠(yuǎn)距離及時(shí)為列車司機(jī)提供報(bào)警的裝置。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]給出的鐵路路障視頻檢測(cè)報(bào)警算法,主要針對(duì)于直線軌道路段而未對(duì)危險(xiǎn)性更高的曲線區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)探討。本文實(shí)現(xiàn)的鐵路路障視頻報(bào)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(bào)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(yīng)用場(chǎng)合。
1 系統(tǒng)組成
    傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本信號(hào)為模擬信號(hào),其傳輸距離短、擴(kuò)展能力差,而且視頻信號(hào)的存儲(chǔ)會(huì)耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)介質(zhì);基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然功能較強(qiáng),便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,但其穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高,不適用于室外惡劣的工業(yè)環(huán)境。本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP、視頻圖像處理技術(shù)和無(wú)線報(bào)警技術(shù)的嵌入式鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可脫離PC機(jī)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(jī)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(yīng)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)線通信將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到安置于列車上的無(wú)線接收裝置,機(jī)車司機(jī)根據(jù)報(bào)警信號(hào)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施,從而避免事故的發(fā)生。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)外圍配置可分為5大模塊:電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、EMIF內(nèi)存擴(kuò)展模塊、可編程邏輯模塊和無(wú)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(dá)720 MHz,處理能力可達(dá)5 760 MIPS。DM642使用兩級(jí)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(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO)、1個(gè)內(nèi)插VCXO控制接口、1個(gè)I2C總線、3個(gè)32 bit通用定時(shí)器、1個(gè)用戶配置的16 bit或32 bit主機(jī)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(chǔ)接口(EMIF),支持異步存儲(chǔ)器和同步存儲(chǔ)器直接接口,共有1 024 MB可尋址外部存儲(chǔ)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(hào)輸入格式轉(zhuǎn)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(hào)按照YcbCr 4:2:2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),以8 bit內(nèi)嵌同步信號(hào)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(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào),用來(lái)控制VP口對(duì)數(shù)據(jù)視頻流進(jìn)行采集;SCLK為DM642提供2倍像素時(shí)鐘信號(hào),用來(lái)控制DM642的視頻口對(duì)像素信號(hào)的采集;當(dāng)DM642的視頻口作為8 bit視頻口時(shí),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(shè)計(jì)中起著重要作用。特別是在高速電子設(shè)計(jì)中,穩(wěn)定可靠的電源供電是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的電源管理模塊分為供電電路和電源監(jiān)測(cè)電路。
      (1)供電電路
      DM642芯片需要2個(gè)獨(dú)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(shè)計(jì)時(shí)必須保證當(dāng)其他供電值低于合適的操作電壓時(shí),系統(tǒng)所有供電的上電時(shí)間不超過(guò)1 s,否則極易對(duì)芯片造成損害。從系統(tǒng)級(jí)考慮,總線競(jìng)爭(zhēng)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(shè)計(jì)時(shí),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(cè)電路
    為了保證DM642芯片內(nèi)核電壓和I/O電源未達(dá)到要求電平時(shí),系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài),當(dāng)電壓下降至設(shè)定值時(shí),產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),并且允許系統(tǒng)在任意時(shí)刻都可以通過(guò)復(fù)位來(lái)調(diào)整工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)中選用TI公司的TPS3823-33芯片,對(duì)系統(tǒng)中使用最多的+3.3 V電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),提高系統(tǒng)的可靠性。
2.1.3 時(shí)鐘模塊
    在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí),應(yīng)盡量使用DSP片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL),以降低片外時(shí)鐘頻率,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。CLKMODE[1:0]和AEA[20:19]主要用于對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置。本系統(tǒng)的輸入時(shí)鐘CLKIN為50 MHz,將CLKMODE[1:0]設(shè)置為10,即片內(nèi)PLL設(shè)置為×12,則CPU內(nèi)核頻率為600 MHz;ECLKIN=133 MHz,將AEA[20:19]設(shè)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(tǒng)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(hào),本設(shè)計(jì)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(nèi)存擴(kuò)展模塊
    由于系統(tǒng)主要用于視頻圖像處理,所以運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)??紤]到系統(tǒng)程序運(yùn)行也要占用大量的存儲(chǔ)空間,DM642內(nèi)部?jī)H有的256 KB的SRAM已不能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求。DM642提供了1個(gè)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(kuò)展外部存儲(chǔ)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(shí)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(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(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用,這類器件可以通過(guò)軟件編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu),使硬件的設(shè)計(jì)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(gè)頁(yè)地址并給無(wú)線發(fā)送模塊提供報(bào)警信號(hào),選用ALTERA公司的FPGA器件EPF10K10LC84。設(shè)計(jì)中采用的硬件描述語(yǔ)言為VHDL語(yǔ)言。輸入信號(hào)有:RESET復(fù)位信號(hào),系統(tǒng)地址總線的3、4、5、6、7、22 bit;CE1空間片選信號(hào);系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線0~7 bit。輸出信號(hào)有:FLASH的片選信號(hào);8 bit數(shù)字I/O輸出口;FLASH頁(yè)地址輸出口[6]。
2.1.6 無(wú)線收發(fā)模塊
    Nordic公司推出的nRF401是一個(gè)為433 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正UHF無(wú)線收發(fā)芯片,采用FSK調(diào)制技術(shù),在無(wú)線防盜和井下定位無(wú)線數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。本系統(tǒng)采用2片nRF401作為無(wú)線收發(fā)設(shè)備,1片隨系統(tǒng)裝置安裝在鐵道監(jiān)控點(diǎn),設(shè)置為發(fā)送模式,即TXEN=1,將其DIN接口與FPGA設(shè)計(jì)的8 bit字輸出口中的其中一位相連,當(dāng)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)路障時(shí),即通過(guò)對(duì)FPGA的控制向DIN口發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另一片安裝在駕駛室,設(shè)置為接收模式,即TXEN=0,其DOUT接口與報(bào)警器相連,當(dāng)其接收到報(bào)警信號(hào)后,便驅(qū)動(dòng)報(bào)警器通知列車司機(jī)。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(wú)需進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)是基于DSP的實(shí)時(shí)圖像采集處理系統(tǒng),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(jiān)測(cè)范圍定標(biāo);(2)循環(huán)檢測(cè)指定范圍內(nèi)路障并判斷動(dòng)向;(3)根據(jù)路障類型發(fā)送報(bào)警信號(hào)。
    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(cè)范圍定標(biāo)
    當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí),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(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(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(guò)直方圖均衡化和自適應(yīng)Canny邊緣檢測(cè),得到包含路軌框架信息的曲線簇,然后根據(jù)判定準(zhǔn)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(zhǔn)則將初始化框架曲線進(jìn)行接續(xù),構(gòu)成程序能夠達(dá)到的完整的鐵軌框架。
    獲取鐵軌框架后,將框架邊線適當(dāng)外擴(kuò),得到最終的路障監(jiān)測(cè)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(cè)指定范圍內(nèi)路障并判斷動(dòng)向
    當(dāng)路軌監(jiān)測(cè)范圍定標(biāo)之后,系統(tǒng)進(jìn)入路障實(shí)時(shí)跟蹤階段。該階段將對(duì)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(shù),如果當(dāng)前實(shí)時(shí)捕獲的圖像經(jīng)過(guò)判定后不需要報(bào)警,則將其設(shè)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(cè)。將每次獲取的新圖像與當(dāng)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(xiàn)差值較大且具有廣泛分布性,則判定為光線變化,此時(shí)不報(bào)警,但立即用當(dāng)前圖像更新背景幀;如果差值很小,可以忽略,則不報(bào)警繼續(xù)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(nèi),則將相差部分與鐵軌標(biāo)定范圍相與,根據(jù)得到的不同結(jié)果分別對(duì)待。
    (1)如果結(jié)果較大,則說(shuō)明此時(shí)有障礙物處于路軌范圍內(nèi),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(dá)到更換背景幀的循環(huán)次數(shù)也不進(jìn)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(yùn)動(dòng)情況不足以確保安全,則判定為報(bào)警事件;否則其動(dòng)向判定為處于安全范圍,為非報(bào)警事件。
    (2)如果結(jié)果較小,則說(shuō)明障礙物可忽略或處于鐵軌范圍之外,歸類為非報(bào)警事件。
2.2.3 報(bào)警信號(hào)發(fā)送
    如果經(jīng)過(guò)程序處理得到報(bào)警事件,則向行駛機(jī)車進(jìn)行路障報(bào)警。
3 系統(tǒng)測(cè)試
    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于DM642的鐵路路障視頻報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)圖分別如圖6、圖7所示,提取鐵軌框架以確定有效的報(bào)警范圍。當(dāng)鐵軌上出現(xiàn)影響列車安全運(yùn)行的路障時(shí),報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)β氛线M(jìn)行有效識(shí)別,產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),經(jīng)無(wú)線收發(fā)裝置向機(jī)車司機(jī)報(bào)警。

    本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的鐵路路障視頻報(bào)警裝置的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)使整個(gè)系統(tǒng)便于安裝和調(diào)試,能夠適應(yīng)惡劣復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。基于TMS320DM642專業(yè)視頻處理平臺(tái)的視頻圖像處理算法能夠準(zhǔn)確提取直線和曲線鐵軌框架并確定報(bào)警區(qū)域,有效判斷識(shí)別影響列車行車安全的鐵路路障。無(wú)線傳輸技術(shù)的采用有效解決了報(bào)警信號(hào)向運(yùn)動(dòng)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(yīng)用前景。
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