基于SOPC的列車環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)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(cè)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(yǔ)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(cè)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(guó)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(cè)，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(cè)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(cè)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(kù)包含了從簡(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)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(yǔ)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。

2 視頻圖像采集處理模塊設(shè)計(jì)
    采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的組成部分，采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別效果。本系統(tǒng)視頻A／D轉(zhuǎn)換器選用ADV7181B，它能夠自動(dòng)檢測(cè)和轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的NTSC、PAL和SECAM制的模擬電視基帶復(fù)合信號(hào)，輸出4：2：2的符合ITU-R656(國(guó)際電信聯(lián)盟的視頻標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)的
16位／8位復(fù)合視頻數(shù)據(jù)，支持6路模擬視頻信號(hào)的輸入。ADV7l81B通過I2C總線實(shí)現(xiàn)配置，同時(shí)能輸出行、場(chǎng)同步信號(hào)。ADV718lB輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)通過8位總線TDDATA傳輸給FPGA。FPGA經(jīng)視頻解碼模塊在視頻數(shù)據(jù)中識(shí)別出有效數(shù)據(jù)，再根據(jù)系統(tǒng)對(duì)圖像精度的要求進(jìn)行處理，生成三種數(shù)據(jù)圖像，分別有RGB彩色圖像、灰度圖像和二值化圖像，最后將圖像傳送到緩存FIFO中，輸出到NiosⅡCPU。最后由處理器控制將視頻數(shù)據(jù)寫到SDRAM中。圖2是視頻采集處理模塊框圖，其中，彩色圖、灰度圖、二值化圖的數(shù)據(jù)量之比是384：128：1，可根據(jù)實(shí)際視頻圖像的需要，選擇不同數(shù)據(jù)量的圖像。

    系統(tǒng)內(nèi)各模塊功能簡(jiǎn)要描述如下：
    1)ITU-R656解碼模塊接收從視頻A／D轉(zhuǎn)換器ADV7181B送來的數(shù)字視頻流，然后對(duì)數(shù)字視頻流進(jìn)行解碼，產(chǎn)生YUV3路視頻信號(hào)，識(shí)別出行、場(chǎng)同步信號(hào)。
    2)3個(gè)視頻緩存模塊系統(tǒng)各設(shè)計(jì)一個(gè)FIFO，根據(jù)視頻數(shù)據(jù)的大小，緩沖深度各不相同，用于視頻數(shù)據(jù)的緩存。其中FIFO是使用Altera提供的可參數(shù)化宏功能模塊和LPM函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體是通過Mega Wizard Plug-In Manager的GUI向?qū)?shí)現(xiàn)。
    3)I2C配置模塊通過I2C總線對(duì)ADV7181B進(jìn)行初始化配置，選擇產(chǎn)生的數(shù)字視頻格式等。
    4)色彩空間轉(zhuǎn)換模塊完成色彩空間由YUV到RGB的轉(zhuǎn)換，使視頻數(shù)據(jù)適合在VGA顯示。色彩空間由YUV到RGB的轉(zhuǎn)換按以下轉(zhuǎn)化公式編寫相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言。
    R=1．0Y+O+1．402(Cr-128)
    G=1．0Y-0．344 13(Cb-128)-0．714 14(V-128)
    B=1．OY+1．772(Cb-128)
    最后生成的YUV到RGB硬件電路模塊如圖3所示。

    5)圖2中Y的輸出即為圖像的灰度值，Y值的信息可以完整地描述一幅灰度圖(灰度等級(jí)為256)。將灰度值經(jīng)二值化后就可以得到一幅二值化的圖像，關(guān)鍵是閾值的選擇，在這里將灰度閾值設(shè)置成可調(diào)的輸入量，就可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境設(shè)定理想的閾值。二值化的硬件模塊也是用硬件描述語(yǔ)言描述的，生成的模塊如圖4所示，其工作原理是當(dāng)圖像值大于閾值時(shí)輸出l，否則輸出O。

3 視頻數(shù)據(jù)圖像傳輸模塊設(shè)計(jì)
    視頻數(shù)據(jù)圖像傳輸部分采用SOPC Builder工具自帶的以太網(wǎng)接口IP核，將其添加到NiosⅡ系統(tǒng)中，構(gòu)建成SOPC系統(tǒng)。其中，DM9000A是一款高速網(wǎng)絡(luò)控制器，它具有通用處理器接口，1個(gè)10／100M PHY和4K字節(jié)的SRAM，它支持8位和16位2種數(shù)據(jù)接口。SOPC Builder提供將DM-9000A連接到Avalon總線上所需要的接口邏輯。圖5是DM9000A IP核接口模塊，分為輸入和輸出兩部分，一部分是模塊與Avalon總線的連接信號(hào)，另一部分是模塊與FPGA外部的DM9000A連接的信號(hào)。

    最后根據(jù)需要配置得到的NiosⅡ軟核處理器如圖6所示。NiosⅡ是一個(gè)用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器，NiosII集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是NiosⅡ系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具，所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在NiosⅡIDE下完成。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹一種基于SOPC的列車分布式環(huán)境異物入侵前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了SOPC硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置過程，以及基于此硬件系統(tǒng)配置的NiosⅡ軟核處理器的軟件設(shè)計(jì)。最后在Altera公司的DE2開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)測(cè)得到前端灰度圖像如圖7所示，達(dá)到了前端檢測(cè)的目的。列車環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程包括對(duì)各模塊的初始化和對(duì)各模塊的流程控制，主要有視頻采集控制、圖像處理控制、圖像SDRAM存儲(chǔ)控制、以太網(wǎng)接口控制流程等設(shè)計(jì)。

    基于SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于不但軟件是可以編程的，構(gòu)建的硬件系統(tǒng)也是可編程的，這就為系統(tǒng)的靈活配置和軟件的靈活設(shè)計(jì)提供了很大的方便，也有利于系統(tǒng)的后期優(yōu)化和升級(jí)。在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意根據(jù)具體的硬件資源大小和實(shí)現(xiàn)速度要求，選擇硬件實(shí)現(xiàn)還是軟件模擬。同時(shí)還要注意前端采集模塊的抗抖動(dòng)設(shè)計(jì)。這種量體裁衣的硬件配置方式可以最大限度地提高系統(tǒng)的性價(jià)比，使得SOPC技術(shù)在環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用空間。也可以利用HardCopy技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)于FPGA器件上的列車分布式環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化。