安全是鐵路運(yùn)輸永恒的主題，是鐵路的生命線。我國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜，氣候變化大，致使鐵路災(zāi)害分布廣泛、類型眾多、發(fā)生頻繁，鐵路災(zāi)害的分布遍及全國(guó)，基本上凡有鐵路的地方均受程度不同的災(zāi)害侵襲，由此平均每年造成鐵路運(yùn)輸中斷100余次，累計(jì)10002000h,峰曾達(dá)到年斷道211次。已發(fā)生災(zāi)害路段占全路總運(yùn)營(yíng)里程的20%以上，尚有許多線路災(zāi)害處于潛伏狀態(tài)，嚴(yán)重威脅鐵路的行車安全。隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路向著客貨分線，全電氣化等方向發(fā)展，整個(gè)管理體系也發(fā)生了重大的變化，從過去分散的效率低下的管理模式轉(zhuǎn)向采用綜合調(diào)度指揮、綜合維修、集中養(yǎng)護(hù)等高度集中高效的作業(yè)管理體制。視頻監(jiān)控作為鐵路信息化的重要組成部分，可以為行車調(diào)度、救援指揮、防災(zāi)安全、客貨運(yùn)服務(wù)調(diào)度等提供直觀先進(jìn)的輔助決策手段，對(duì)于保障鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，提升服務(wù)質(zhì)量具有重要作用。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C6000系列DSP總的定點(diǎn)DSP,其是C6416型高性能數(shù)字信號(hào)處理器，具有極強(qiáng)的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時(shí)外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口，特別適用于機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費(fèi)類電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。筆者針對(duì)市場(chǎng)客戶的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以PCM1801為音頻輸入采集電路，以TMS320DM642型DSP為處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡，并將其應(yīng)用于構(gòu)建高穩(wěn)定性、高魯棒性和多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　TMS320DM642采用第二代高性能、先進(jìn)的超長(zhǎng)指令字veloci T1.2結(jié)構(gòu)的DSP核及增強(qiáng)的并行機(jī)制，當(dāng)工作在720M赫茲的時(shí)鐘頻率下，其處理性能可達(dá)5760MI/s,使得該款DSP成為數(shù)字媒體解決方案的產(chǎn)品，它不僅擁有高速控制器的操作靈活性，而且具有陣列處理器的數(shù)字處理能力，TMS320DM642的外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信接口。

　　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。

　?。?）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。

　?。?）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)，必須利用干凈的電源為DM642的外部晶振電路供電，同時(shí)，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

　　外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），External Memory Interface,是TMS DSP器件上的一種接口。一般來(lái)說，EMIF可實(shí)現(xiàn)DSP與不同類型存儲(chǔ)器（SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等）的連接。一般EMIF與FPGA相連，從而使FPGA平臺(tái)充當(dāng)一個(gè)協(xié)同處理器、高速數(shù)據(jù)處理器或高速數(shù)據(jù)傳輸接口。設(shè)計(jì)接口提供了一個(gè)FPGA塊至RAM的無(wú)縫連接。在讀/寫、FIFO或存儲(chǔ)器模式中，雙端口塊RAM的一側(cè)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)與DSP的通信。另一側(cè)用于實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部FPGA邏輯電路或平臺(tái)-FPGA嵌入式處理器的通信。

　　由于系統(tǒng)主要用于視頻圖像處理，所以運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。考慮到系統(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

　　邏輯器件可分類兩大類 - 固定邏輯器件和可編程邏輯器件。 一如其名，固定邏輯器件中的電路是性的，它們完成一種或一組功能 - 一旦制造完成，就無(wú)法改變。 另一方面，可編程邏輯器件（PLD）是能夠?yàn)榭蛻籼峁┓秶鷱V泛的多種邏輯能力、特性、速度和電壓特性的標(biāo)準(zhǔn)成品部件 - 而且此類器件可在任何時(shí)間改變，從而完成許多種不同的功能。PLD是做為一種通用集成電路產(chǎn)生的，他的邏輯功能按照用戶對(duì)器件編程來(lái)確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計(jì)一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計(jì)人員自行編程而把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)"集成"在一片PLD上，而不必去請(qǐng)芯片制造廠商設(shè)計(jì)和制作專用的集成電路芯片了。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，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接近路軌條件的初始化框架曲線，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。

　　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。

　?。?）如果結(jié)果較大，則說明此時(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。

　?。?）如果結(jié)果較小，則說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。