采用DSP的鐵路道口圖像監控系統設計

目前，鐵路道口基本有這樣3種類型：有人看管、有人監護和無人看守監護。長期以來，鐵路部門對有人看管道口和有人監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鐵路道口圖像監控系統，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。

系統整體框架

系統基本組成

從圖1可知，該系統主要由工業攝像機、數據緩存器、DSP處理器、CPLD芯片、道口發送設備和機車接收設備組成。兩臺工業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。數據緩存器是將攝像頭采集到的圖像數據，經過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的核心，它主要負責對鐵路道口的數據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生故障時的照片。

系統工作原理
該系統的工作原理為：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，得到動態序列圖像幀，并將圖像幀送入數據緩存區。在CPLD的控制協助下，將數據緩存區的數據讀入DSP中。根據系統設計的算法，進行道口圖像數據的處理，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；同時將系統分析的的結果代碼的方式通過鐵路無線通信系統GSM-R傳給火車機車的特定接收設備，機車司機根據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生。

系統設計方案件

系統核心部件介紹

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，每指令周期可執行8條32位的指令；超長指令字結構，支持32位、16位、8位數據；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)、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。內部包含一個可編程保密位，用于控制器件內部配置數據的讀出。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，數據傳輸頻率最高可為166MHz，存儲空間為128k×32。

系統硬件設計

圖像的數據量很大，算法復雜程度高，提出了基于DSP的鐵路道口圖像監控系統的設計方案。同時利用現場可編程門陣列(FPGA)或復雜可編程邏輯器件(CPLD)很強的靈活性特點，來完成系統的時序邏輯控制。按照信號流程，該系統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、發送信號代碼和機車接收信號代碼。系統的硬件結構如圖2所示，其中DSP選用TMS320C6202，CPLD選用EPM7512BQC208-5，數據發送模塊選用西門子公司的MC55芯片。考慮到目前國內外生產的工業攝像機能直接輸出數字化圖像且帶有USB接口，通過USB接口電路直接和FIFO相連。系統選用CY7C1339B作為系統的數據存儲器來存儲數字視頻信號，用SS39VF400A作為系統的程序存儲器；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，采集到的視頻數據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的入口和出口參數，使得模塊之間的相互連接，組合靈活方便。該系統的軟件主要由：圖像采集模塊、圖像處理模塊、數據發送模塊和機車接收模塊這四大部分組成。本系統是基于DSP的實時圖像處理系統，DSP的主程序貫穿了整個系統的運行，包括對采集圖像的搬移以及處理、與外部存儲器SDRAM和Flash、移動硬盤和道口發送設備接口等等。為了程序實現方便，主框架用C實現，具體的算法實現中，對于一些關鍵代碼，用嵌入匯編來實現，并作相應的軟件優化，以提高

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，完成系統的初始化以及各個參數的設置，即系統自舉，隨后開始等待外部中斷。當觸發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開始搬移圖像數據。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接口發送到給道門發送設備接口，同時也通過EDMA接口將道口故障圖像發送給移動硬盤。限于篇幅，本文只給出 DSP的主程序流程圖，如圖3所示。

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結束語
基于DSP的鐵路道口圖像監控系統是數字圖像處理技術和無線網絡通信技術相結合的結果，它真正實現了鐵路道口安全管理的自動化和信息化。該系統設計方案拋開了傳統圖像監控系統中攝像機一監視器的模式，將計算機對數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網絡傳送給駛近道口的列車。該系統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。