基于ARM9的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測圖像采集模塊設(shè)計(jì)

摘要 轉(zhuǎn)轍機(jī)是鐵路上負(fù)責(zé)道岔的轉(zhuǎn)換、鎖閉、監(jiān)督功能的電氣設(shè)備，它的監(jiān)測對(duì)維護(hù)列車安全運(yùn)行具有重要意義?，F(xiàn)有道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備缺口監(jiān)測系統(tǒng)存在檢測方式落后、不直觀、高誤警等情況。針對(duì)上述情況文中提出了一種在線視頻監(jiān)控自動(dòng)處理系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)缺口圖像的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行拍照和上傳；工作室終端電腦能對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)表示桿缺口偏移量的圖像進(jìn)行識(shí)別、自動(dòng)監(jiān)測和超值報(bào)警，并介紹了圖像采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)轍機(jī)；缺口監(jiān)測；Linux ARM9

    轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測問題一直是鐵路信號(hào)系統(tǒng)特別是信號(hào)維修部門關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著鐵路高速、高密度行車區(qū)段的不斷增加，為了確保行車安全，對(duì)行車道岔運(yùn)行質(zhì)量與狀態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測無為重要。

1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
    主要技術(shù)指標(biāo)：(1)缺口圖像分辨率0．01 mm。(2)缺口偏移檢測精度0．1 mm。(3)信號(hào)傳輸距離≤2．5 km(1．0 mm線徑)。(4)動(dòng)態(tài)圖像傳輸碼流100～250 kbit·s-1。

2 圖像采集模塊設(shè)計(jì)原理
    圖像采集使用微型攝像頭，圖像分辨率是指圖像中每單位長度所包含的像素或點(diǎn)的數(shù)目，常以像素／英寸(ppi)為單位來表示。對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)(S700K、ZD6)正面缺口在4～6 mm，用普通的30萬像素?cái)z像頭，精度可達(dá)6／640=0．01 mm。圖像數(shù)據(jù)量大小=圖像中的像素總數(shù)×圖像深度÷1 024(單位為kB)。30萬像素?cái)z像頭捕捉到640×480的畫面，二值圖像深度為1，灰度圖像深度為8或者彩色圖像深度為24，普通灰度圖像大小為2400kB。

    JPEG是由ISO和CCITT 1986年成立了“聯(lián)合圖片專家組”(Joint Photographic Experts Group)所制定的靜止灰度或彩色圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)定義了3種編碼系統(tǒng)：(1)基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)，可以適合大多數(shù)壓縮場合。(2)基于分層遞增模式的擴(kuò)展、增強(qiáng)編碼系統(tǒng)，用于高壓縮比、高精度或漸進(jìn)重建應(yīng)用場合。(3)基于預(yù)測編碼中DPCM方法的無損系統(tǒng)，用于無失真應(yīng)用的場合。
    圖像應(yīng)用系統(tǒng)要與JPEG兼容，必須支持JPEG基本系統(tǒng)，可以通過修改其文件格式、圖像分辨率或彩色空間模型應(yīng)用于不同場合。在不降低圖像視覺質(zhì)量的基礎(chǔ)上JPEG標(biāo)準(zhǔn)可以將圖像壓縮到1／10～1／50，這樣一幀圖像的大小就可以壓縮到48 kB，根據(jù)需要還可以壓縮為6 kB的二值圖像，滿足缺口檢測的要求。
    在基本系統(tǒng)中，輸入和輸出數(shù)據(jù)的精度為8 bit，量化DTC值的精度為11 bit。壓縮過程由3個(gè)步驟組成：(1)DCT計(jì)算。(2)量化。(3)用熵編碼器進(jìn)行變長碼賦值。具體過程如下：先把圖像分割成一系列8×8的子塊，然后按從左向右從上到下的次序處理?；鞠到y(tǒng)的編碼器如圖2所示。

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    Video4Linux(V4L)是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Video4Linux是Linux Kemel里支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與驅(qū)動(dòng)程序，Video4Linux可以實(shí)現(xiàn)影像圖像采集，它支持圖像的JPEG壓縮。Video4Linux分為2層式架構(gòu)，上層為Video4Linux驅(qū)動(dòng)程序本身，下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)驗(yàn)中使用了V4L的上層驅(qū)動(dòng)程序，即V4L所提供給程序開發(fā)人員的APIs。通過使用Video 4Linux的API函數(shù)從視頻設(shè)備中讀取圖像數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)寫入Frame Buffer，使攝像頭采集到的圖像在液晶屏中顯示出來。

3 圖像采集硬件設(shè)計(jì)
   在ARM9系統(tǒng)中通過USB接口連接USB攝像頭對(duì)圖像進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測的圖像采集。ARM9核心板：處理器采用ARM920T處理器的S3C2410A，工作頻率203 MHz；SDRAM是64 MB；NANDFlash：64 MB；NORFlash：2 MB；USB接口：AU9254A21支持USB1．1協(xié)議。
    USB采集電路的原理框圖如圖3所示。

    USB主機(jī)芯片采用AU9254A21，它是單片的四端口USB控制芯片，這里擴(kuò)展了4個(gè)USB接口。它的上端接USB控制系統(tǒng)，下端可接USB設(shè)備。

4 圖像采集軟件實(shí)現(xiàn)
    在Linux系統(tǒng)中，通過使用Video4Linux的API函數(shù)，從視頻設(shè)備中讀取圖像數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)臨時(shí)文件為后續(xù)的功能實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
    采集程序?qū)崿F(xiàn)過程：一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通常分為4個(gè)層次：Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序，如圖4所示。

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4．1 移植Bootloader
    USB攝像頭的采集應(yīng)用程序是建立在Linux系統(tǒng)上，首先配置適合系統(tǒng)的Bootloader，Linux內(nèi)核在RAM中運(yùn)行，這就需要Linux的Bootloa der將整個(gè)內(nèi)核復(fù)制到RAM中。系統(tǒng)中Bootloader是運(yùn)行在NORFlash中，它的主要作用是：將Linux內(nèi)核文件、根文件系統(tǒng)文件、Linux啟動(dòng)參數(shù)文件復(fù)制到SDRAM中，并跳至RAM中Linux內(nèi)核的首地址，運(yùn)行Linux。各文件在RAM中存放的空間示意圖，如圖5所示。

4．2 編譯下載內(nèi)核
    將Linux源代碼包放置在工作目錄下解壓，用命令：#tar xjvf linux-2．4．18．tar．bz2。編譯內(nèi)核，在終端輸入命令：#make menu config命令，選擇“load analternate configuration file”，裝載arch／am目錄下的2410配置文件。建立依賴關(guān)系，在終端運(yùn)行命令：#make dep。編譯內(nèi)核，在終端輸入命令：#make zImage。編譯完成后在arch／arm／boot目錄下會(huì)生產(chǎn)ARM Linux內(nèi)核映像文件zIm age，用FlashFXP軟件的FTP下載。
4．3 圖像采集應(yīng)用程序
    在圖像采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)安裝后，只需再編寫一個(gè)視頻流采集應(yīng)用程序，即可采集視頻圖像。
    前面提到Linux系統(tǒng)中把設(shè)備看成設(shè)備文件，在用戶空間可以通過標(biāo)準(zhǔn)的I／O系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)操作設(shè)備文件，從而達(dá)到與設(shè)備通信交互的目的。視頻設(shè)備在Linux系統(tǒng)下為一個(gè)字符型設(shè)備，分配給視頻設(shè)備使用的主設(shè)備號(hào)固定為81，次設(shè)備號(hào)為0～31。在Linux系統(tǒng)中通常使用設(shè)備名為video0～video31，使用以下命令在設(shè)備文件夾／dev／下創(chuàng)建1名稱為video0的節(jié)點(diǎn)：# mknod／dev／video0 c 81 0配置Video4Linux內(nèi)核：在終端使用make menuconfig命令打開S3C2410Linux內(nèi)核編譯的Main Menu窗口，并進(jìn)入“Multimedia devices→”菜單選項(xiàng)，然后將Video For Linux配置為模塊；返回主菜單(Main Menu)，再進(jìn)入“USB support→”菜單選項(xiàng)，然后將USB Camera support設(shè)置為模塊，退出并保存配置，使用make dep命令建立文件依聯(lián)關(guān)系，然后使用make modules命令編譯鏈接模塊。編譯鏈接完成后，在／linyx／kernel／driv ers  ／media／video文件夾中生成videodev．o模塊，在／linux／kemel／drivers／usb／文件夾中生成ov511．o模塊，ov511芯片直接就支持Linux，使用這款芯片的攝像頭有網(wǎng)眼V2000。
    利用V4L API獲取視頻圖像的應(yīng)用程序流程，如圖6所示。

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    下面簡要介紹其實(shí)現(xiàn)：
    (1)打開視頻設(shè)備，這里用int v41_open(char*，v41_device*)實(shí)現(xiàn)。
    (2)獲得設(shè)備信息的任務(wù)，這里用extern int v41_get_capability(v41_device*)實(shí)現(xiàn)。函數(shù)有vd->capability和vd->picture兩個(gè)結(jié)構(gòu)體。capability主要包括設(shè)備名稱、支持的最大最小分辨率、信號(hào)源信息等。picture結(jié)構(gòu)包括了亮度，對(duì)比度，色深。及兩個(gè)函數(shù)中最主要的語句ioctl。對(duì)于ioctl的行為，它是由驅(qū)動(dòng)程序提供和定義的，在這里是由v41所定義，其中宏VIDIOCGCAP和VIDIOCGPICT的分別表示獲得視頻設(shè)備的capability和picture。
    運(yùn)用int v41_get_mbuf(v41_device*vd)函數(shù)。通過這個(gè)結(jié)函數(shù)可以獲得攝像頭可映射的設(shè)備存儲(chǔ)圖像的內(nèi)存大小、攝像頭可同時(shí)存儲(chǔ)的幀數(shù)、每一幀圖像的偏移量。
    (3)按需要更改設(shè)備的相應(yīng)設(shè)置，通過int v41_set_picture函數(shù)實(shí)現(xiàn)。其核心是v41為提供的ioctl相關(guān)調(diào)用，通過這個(gè)函數(shù)可以修改如亮度，對(duì)比度等相關(guān)的值。
    (4)獲得采集到的圖像數(shù)據(jù)，通過extern int v41_grab_picture實(shí)現(xiàn)。先使用ioctl(fd，VIDIOCGMBUF，&grab_vm)函數(shù)獲得攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，之后修改voideo_mmap中的設(shè)置，例如重新設(shè)置圖像幀的垂直及水平分辨率、彩色顯示格式。其中vd->map所指向的數(shù)據(jù)就是圖像數(shù)據(jù)。
    采集其中的第一幀，使用ioctl(fd，VIDIOCMCAPTURE，&grab_buf)函數(shù)，若調(diào)用成功，則激活設(shè)備真正開始一幀圖像的截取，是非阻塞的。接著使用ioctl(fd，VIDIOCSYNC，&frame)函數(shù)判斷該幀圖像是否截取完畢，成功返回表示截取完畢，之后就可把圖像數(shù)據(jù)寫入到Frame Buffer。
    然后利用grab_fd．frames值確定采集完畢攝像頭幀緩沖區(qū)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)的次數(shù)。在循環(huán)語句中，也是使用VIDIOCMCCAPTURE? ioctl和VIDIOCSYNC?ioctl函數(shù)完成每幀截取，但要給采集到的每幀圖像賦地址，利用語句buf=grab_data+grab_vm．offsets[frame]，然后保存文件的形式。若要繼續(xù)采集可再加一個(gè)外循環(huán)，在外循環(huán)語句只要給原來的內(nèi)循環(huán)再賦frame=0即可。通過顯示屏把采集到的視頻圖像顯示出來。
    (5)關(guān)閉設(shè)備，int v41_close(v41_device*)，主要是關(guān)閉設(shè)備，取消映射。

5 圖像采集效果
    將攝像頭插入到USB主機(jī)下行口，這時(shí)在終端上將打印以下信息：
    ov511．c：USB OV511+camera found
    ov511．c：Camera type(108)not recognized
    ov511．c：Please notify mmcclell@bigfoot．com of the name，
    ov511．c：manufacturer，model．a(chǎn)nd this number of your camera.
    ov511．C：Also include the output of the detection process.
    ov511．c：Sensor iS an OV7620
    ov511．c：Device registered on minor 0
    進(jìn)入到本實(shí)驗(yàn)程序所在文件夾，運(yùn)行本實(shí)驗(yàn)程序，觀察液晶屏的圖像效果：
    #／videodemo

6 結(jié)束語
    在ARM-Linux平臺(tái)上，通過使用Video4Linux的API函數(shù)從視頻設(shè)備中讀取圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖進(jìn)行了JPEG格式壓縮，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，為后續(xù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口檢測的上傳功能實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。系統(tǒng)若配合使用可靠的傳輸技術(shù)與先進(jìn)的上位機(jī)圖像處理系統(tǒng)，將使轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。