采用DSP的鐵路道口圖像監(jiān)控系統(tǒng)設計

目前，鐵路道口基本有這樣3種類型：有人看管、有人監(jiān)護和無人看守監(jiān)護。長期以來，鐵路部門對有人看管道口和有人監(jiān)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，以道口自動報警信號為主要設施的技術裝備已基本完善，為道口自身的安全管理創(chuàng)造了較好條件。但是，道口自動報警裝置僅考慮到了加強道口自身監(jiān)管、防止道口肇事的問題，而未兼顧到移動的列車存道口出現(xiàn)異常情況時，如何及時防止道口沖突的問題。為了使道口安全得到進一步控制，設計了一套基于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距離內，司機能及時通過GSM-R接收到系統(tǒng)對道口判斷的最終結果。這對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、數(shù)據(jù)緩存器、DSP處理器、CPLD芯片、道口發(fā)送設備和機車接收設備組成。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輛運行情況。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接口電路的轉換作臨時緩存，以備圖像處理部分調用。CPLD芯片和DSP處理器是整個硬件系統(tǒng)的核心，它主要負責對鐵路道口的數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，從而判斷該道口是否有故障。移動硬盤用于存儲道口發(fā)生故障時的照片。

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，安裝在道口兩側的攝像頭開始實時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)設計的算法，進行道口圖像數(shù)據(jù)的處理，判定道口是否存在故障。如道口存在故障，則將相關的圖像存入移動硬盤中；同時將系統(tǒng)分析的的結果代碼的方式通過鐵路無線通信系統(tǒng)GSM-R傳給火車機車的特定接收設備，機車司機根據(jù)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(tǒng)設計方案件

系統(tǒng)核心部件介紹

TMS320C6202足美國TI公司生產的作為處理該模塊的核心處理器，它屬于定點數(shù)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，每指令周期可執(zhí)行8條32位的指令；超長指令字結構，支持32位、16位、8位數(shù)據(jù)；有四個主DMA通道和一個DMA輔助通道，通過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路徑或整個器件工作在低功耗狀態(tài)。內部包含一個可編程保密位，用于控制器件內部配置數(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TI的生產的同步高速緩沖器器件。它具有高速、低功耗CMOS和時鐘驅動的同步等特點。作為同步器件，意味著FIFO的兩端(讀／寫)，每一端使用一個獨立的時鐘驅動信號，這兩端的時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不同的速度下，完成兩個不同頻率器件的速度匹配。Y7C 1339-166AC是美國半導體Cypress公司生產的作為DSP擴充RAM，數(shù)據(jù)傳輸頻率最高可為166MHz，存儲空間為128k×32。

系統(tǒng)硬件設計

圖像的數(shù)據(jù)量很大，算法復雜程度高，提出了基于DSP的鐵路道口圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。同時利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復雜可編程邏輯器件(CPLD)很強的靈活性特點，來完成系統(tǒng)的時序邏輯控制。按照信號流程，該系統(tǒng)的硬件設計大致可分為六大模塊：圖像捕獲、時序控制、DSP圖像處理和圖像外部存儲、發(fā)送信號代碼和機車接收信號代碼。系統(tǒng)的硬件結構如圖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]到目前國內外生產的工業(yè)攝像機能直接輸出數(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)存儲器來存儲數(shù)字視頻信號，用SS39VF400A作為系統(tǒng)的程序存儲器；通過DSP的外部接口EMIF，將DSP與這兩個存儲器相連。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(shù)據(jù)在同步時鐘驅動下寫入緩存器中；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和移動硬盤相連.

系統(tǒng)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?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)送模塊和機車接收模塊這四大部分組成。本系統(tǒng)是基于DSP的實時圖像處理系統(tǒng)，DSP的主程序貫穿了整個系統(tǒng)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、移動硬盤和道口發(fā)送設備接口等等。為了程序實現(xiàn)方便，主框架用C實現(xiàn)，具體的算法實現(xiàn)中，對于一些關鍵代碼，用嵌入?yún)R編來實現(xiàn)，并作相應的軟件優(yōu)化，以提高[!--empirenews.page--]程序運行效率。在C6202完成上電啟動或復位以后，DSP程序加載與啟動，完成系統(tǒng)的初始化以及各個參數(shù)的設置，即系統(tǒng)自舉，隨后開始等待外部中斷。當觸發(fā)采集圖像外部中斷工NT 1產生后，DSP啟動攝像機內部采集芯片，圖像采集模塊開始運行。當FIFO半滿的時候產生工 NT 3中斷，通過編寫的中斷服務子程序，DSP開始搬移圖像數(shù)據(jù)。當采集完一幅圖像以后產生工NT 2中斷，通過編寫的中斷服務子程序，DSP開始圖像處理。當圖像處理完成后，需要將處理結果通過McBSP接口發(fā)送到給道門發(fā)送設備接口，同時也通過EDMA接口將道口故障圖像發(fā)送給移動硬盤。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)字圖像處理技術和無線網(wǎng)絡通信技術相結合的結果，它真正實現(xiàn)了鐵路道口安全管理的自動化和信息化。該系統(tǒng)設計方案拋開了傳統(tǒng)圖像監(jiān)控系統(tǒng)中攝像機一監(jiān)視器的模式，將計算機對數(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)的最終結果不足將視頻圖像顯示出來，而是對視頻圖像中的目標進行識別和分類；判斷鐵路道口是否有故障，

將判斷結果用代碼的方式通過GSM-R網(wǎng)絡傳送給駛近道口的列車。該系統(tǒng)能及時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。