基于DSP的铁路道口图像监控系统设计

1 引言 目前，铁路道口基本有3种类型：有人看管、有人监护和无人看守监护。长期以来，铁路部门对有人看管道口和有人监护道口投入大量的人力、物力，采取安全措施。特别是有人看管道口，以道口自动报警信号为主要设施的技术装备已基本完善，为道口自身的安全管理创造了较好条件。但是，道口自动报警装置仅考虑到了加强道口自身监管、防止道口肇事的问题，而未兼顾到移动的列车在道口出现异常情况时，如何及时防止道口冲突的问题。为了使道口安全得到进一步控制，设计了一套基于DSP铁路道口图像监控系统，使列车在通过道口前的适当距离内，司机能及时通过GSM-R接收到系统对道口判断的最终结果。这对确保列车和通过道口的车辆、行人的安全具有重要意义。 2 系统整体框架 2.1 系统基本组成 系统主要由工业摄像机、数据缓存器、DSP处理器、CPLD芯片、道口发送设备和机车接收设备组成如图1所示。 两台工业摄像机分别安装在道口两端，用于摄录道口两端行人和车辆运行情况。数据缓存器是将摄像头采集到的图像数据，经过USB接口电路的转换作临时缓存，以备图像处理部分调用。CPLD芯片和DSP处理器是整个硬件系统的核心，主要负责对铁路道口的数据进行实时处理和分析，从而判断该道口是否有故障。移动硬盘用于存储道口发生故障时的照片。 2.2 系统工作 系统的工作原理：在列车驶近道口1500～2000m时，安装在道口两侧的摄像头开始实时拍摄道口周围的情况，将采集到的视频图像通过A/D采样，得到动态序列图像帧，并将其图像帧送入数据缓存区。在CPLD的控制协助下，将数据缓存区的数据读入DSP中。根据系统设计的算法，进行道口图像数据的处理，判定道口是否存在故障。如道口存在故障，则将其相关的图像存入移动硬盘中；同时将系统分析的结果以代码的方式通过铁路无线通讯系统GsM-R传给火车机车的特定接收设备；机车司机根据接收到的信号代码便知道前方道口的情况，采取相应的应急措施，从而避免道口事故的发生。 3 系统设计方案 3.1 系统核心部件 TMS320C6202是美国TI公司生产的作为处理该模块的核心处理器，它属于定点数字处理器，主频最高可为250MHz，最大处理能力可达2000MIPS；具有8级流水线，每指令周期可执行8条32位的指令；有4个主DMA通道和一个DMA辅助通道，通过32位的EMIF接口允许外接不同的设备，包括SBSRAM，SDRAM，ASRAM，FLASH以及FIFO等。 EPM7128SQC100的内部具有逻辑阵列块（LAB）、宏单元、扩展乘积项（共享和并联）、可编程连线阵列（PIA）及I/O控制块。它提供低功耗工作模式，可使用户定义的信号路径或整个器件工作在低功耗状态。 FN74V245是美国TI生产的同步高速缓冲器器件。 它具有高速、低功耗CMOS和时钟驱动的同步等特点。作为同步器件，意味着FIFO两端（读/写）的每一端使用一个独立的时钟驱动信号。这两端的时钟信号之间可以是异步的也可以是协作的。Y7C 1339-166AC是美国半导体Cypress公司生产的作为DSP扩充RAM。其数据传输频率最高可为166MHz，存储空间为128k×32a。 3.2 系统硬件设计 图像的数据量很大，算法复杂程度高，提出了基于DSP的铁路道口图像监控系统的设计方案。同时利用现场可编程门阵列（FPGA）或复杂可编程逻辑器件（CPLD）很强的灵活性特点，完成系统的时序逻辑控制。按照信号流程，该系统的硬件设计大致可分为6大模块：图像捕获、时序控制、DSP图像处理和图像外部存储、发送信号代码和机车接收信号代码。系统的硬件结构如图2所示。 其中DSP选用TMS320C6202，CPLD选用EPM7512BQC208-5，数据发送模块选用西门子公司的MC55芯片。考虑到目前国内外生产的工业摄像机能直接输出数字化图像且带有USB接口，通过USB接口电路直接和FIFO相连。 系统选用CY7C1339B作为系统的数据存储器来存储数字视频信号，用SS39VF400A作为系统的程序存储器；通过DSP的外部接口EMIF，将DSP与这两个存储器相连。 SN74V245作为一种高速缓存器，较好地解决了视频采集图像速度和DSP处理图像端速度的巨大差异。其前端与摄像头的USB接口相连，采集到的视频数据在同步时钟驱动下写入缓存器中；其后端与主处理器DSP的32位XBUS连接。PEPM7512BQC208-5芯片负责DSP之间的协同、复杂外设的控制和一些通讯工作，其外部接口分别与SN74V245、TMS320C6202、SS39VF400A和移动硬盘相连。 4 系统软件设计 采用模块化的软件设计，将软件分成若干相对的独立的功能模块，并为各模块安排适当的入口和出口参数，使得模块之间的相互连接、组合灵活方便。该系统的软件主要由图像采集模块、图像处理模块、数据发送模块和机车接收模块部分组成。本系统是基于DSP的实时图像处理系统，DSP的主程序贯穿整个系统的运行，包括对采集图像的搬移以及处理、与外部存储器SDRAM和FLASH、移动硬盘和道口发送设备接口等。为了程序实现方便，主框架用C语言实现。 具体的算法实现中，对于一些关键代码，用嵌入汇编来实现，并作相应的软件优化，以提高程序运行效率。在C6202完成上电启动或复位以后，DSP程序加载与启动，完成系统的初始化以及各个参数的设置，即系统自举，随后开始等待外部中断。当触发采集图像外部中断INT1产生后，DSP启动摄像机内部采集芯片，图像采集模块开始运行。当FIFO半满的时候产生INT3中断，通过编写的中断服务子程序，DSP开始搬移图像数据。当采集完一幅图像以后产生INT2中断，通过编写的中断服务子程序，DSP开始图像处理。当图像处理完成后，需要将处理结果通过McBSP接口发送到给道口发送设备接口，同时也通过EDMA接口将道口故障图像发送给移动硬盘。DSP的主程序流程图，如图3所示。 5 结束语 基于DSP的铁路道口图像监控系统是数字图像处理技术和无线网络通讯技术相结合的结果，它真正实现了铁路道口安全管理的自动化和信息化。其设计方案抛开了传统图像监控系统中摄像机一监视器的模式，将计算机对数字图像的处理和控制全部用硬件芯片（如DSP，CPLD）等器件来完成。它能及时将道口信息反馈给正在行驶的列车，有效解决道口交叉路口的事故隐患，为确保铁路道口行车安全提供保障。