摘 要： 介紹了基于ADSP" title="DSP">DSP-BF533" title="BF533">BF533的電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)是基于圖像監(jiān)測的電力線覆冰監(jiān)測裝置,。系統(tǒng)通過采用簡化的Sobel算法和Hough變換對圖像進(jìn)行邊緣識別，借助DSP的高速運(yùn)算性能和優(yōu)化的DSP代碼,，實(shí)現(xiàn)了電力線覆冰厚度的終端識別和自動報警功能,；采用終端識別的方式，是智能監(jiān)控中一種新的嘗試,。
關(guān)鍵詞： ADSP-BF533,； 圖像識別； 覆冰導(dǎo)線,； Hough變換
對于天氣嚴(yán)寒的高山地區(qū),，導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重影響著高壓輸電線路的安全運(yùn)行。當(dāng)導(dǎo)線表面的覆冰越積越厚,，導(dǎo)線將承受幾百公斤到幾噸的荷載,，這時導(dǎo)線自重及所覆的冰重產(chǎn)生的拉力將通過導(dǎo)線、導(dǎo)線金具,、絕緣子傳遞給桿塔,，桿塔又將拉力傳給拉線,，只要導(dǎo)線、金具,、絕緣子,、桿塔、拉線,、拉線絕緣子,、拉線固定件等其中一個環(huán)節(jié)承受不住所受拉力，就將會出現(xiàn)倒塔（桿）和斷線的事故,，這種事故往往會擴(kuò)展至一個耐張段,。如何有效地避免和防止冰災(zāi)對高壓輸電線路造成的危害，是電力企業(yè)必須要面對的課題,。
基于ADSP-BF533的電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)正是基于圖像監(jiān)控的電力線覆冰監(jiān)控系統(tǒng),，該系統(tǒng)通過終端的自動識別能及時地將覆冰危害通過圖片傳送的方式進(jìn)行報警，也方便監(jiān)控人員進(jìn)行手動的現(xiàn)場圖片采集,，及時發(fā)現(xiàn)險情進(jìn)行人工除冰處理,，對電力線起到良好的保護(hù)作用。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)終端采用ADSP-BF533為主控制器,，通過PPI接口接收CMOS傳感器的圖像信息,，利用DSP的高速運(yùn)算性能，對圖像中的電力線覆冰情況進(jìn)行識別和對比,，對覆冰厚度達(dá)到報警級別的采用JPEG壓縮并傳送,。同時，DSP還通過8通道12位的A/D芯片AD7888采集各種氣象信息（包括溫濕度,、雨量,、風(fēng)向、風(fēng)速,、CO2含量等）和泄漏電流數(shù)據(jù),，對電力線運(yùn)行狀況進(jìn)行全面的監(jiān)測。終端采集的圖像數(shù)據(jù)和氣象信息通過GPRS發(fā)送給本地服務(wù)器,，對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲,。系統(tǒng)采用太陽能電池板和大容量后備鉛酸蓄電池供電，可以保證系統(tǒng)在無太陽充電的情況下穩(wěn)定運(yùn)行30天,。電力線監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
ADSP-BF533是ADI" title="ADI">ADI公司新推出的16位高速定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，該DSP性能優(yōu)良并具備視頻處理接口,，性價比高,，其主頻最高能達(dá)600Hz，每秒可處理1 200M次乘加運(yùn)算。高性能DSP使遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)中的圖像識別成為可能,，減輕了服務(wù)器負(fù)擔(dān),。
圖像采集采用美國OmniVision公司的CMOS傳感器OV7640，該傳感器包括一個652×486的感光陣列,，同時集成了幀（行）控制電路,、視頻時序產(chǎn)生電路、模擬信號處理電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路,、數(shù)字信號輸出電路及I2C編程接口。DSP通過I2C接口設(shè)置和讀取OV7640的工作方式,、數(shù)據(jù)輸出格式,、工作狀態(tài)等。CMOS傳感器與DSP的接口如圖2所示,。
終端軟件采用μC/OS實(shí)時操作系統(tǒng)，由于覆冰厚度識別占用了絕大多數(shù)CPU時間,，設(shè)置為較低優(yōu)先級任務(wù),，使系統(tǒng)能夠較快響應(yīng)其他報警信息（如CO2含量、泄漏電流等）,。采用終端進(jìn)行識別的模式,，不但可以減輕服務(wù)器的運(yùn)算壓力，而且可以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸,。當(dāng)系統(tǒng)中采集點(diǎn)增加到一定程度時,，這種方式的優(yōu)勢將更為明顯。
2 覆冰厚度識別算法描述
覆冰厚度識別算法是系統(tǒng)的核心部分,，通過算法優(yōu)化和指令優(yōu)化,，可以充分發(fā)揮ADSP-BF533的高速運(yùn)算性能，使終端自動識別成為可能,。算法中首先對電力線進(jìn)行邊緣檢測,，描繪電力線邊緣，并計算出電力線正常寬度作為參考值,。當(dāng)電力線覆冰時,，采用同樣算法計算出來的電力線寬度小于參考值。設(shè)置一個固定閾值,，當(dāng)電力線寬度小于閾值時,，對采集圖像進(jìn)行壓縮傳送，實(shí)現(xiàn)自動報警功能,。算法中先采用Sobel 算子進(jìn)行邊緣提取,，然后采用Hough變換進(jìn)行平行線檢測。
2.1 圖像預(yù)處理
對于傳感器采集的彩色圖像采用如下公式變換為灰度圖像：
灰度圖像中包含各種噪聲,，為了能夠盡量準(zhǔn)確地檢測覆冰厚度,，采用一定的圖像預(yù)處理算法濾掉一部分噪聲,。通常在空間域內(nèi)可以用鄰域平均來減少噪聲；在頻率域可以采用各種形式的低通濾波來減少噪聲,。為了提高檢測速度,，系統(tǒng)采用最簡單的圖像平滑技術(shù)，采用以下模板對圖像進(jìn)行平滑降噪處理：
2.2 Sobel算法
Sobel算法的邊緣檢測是在圖像空間利用兩個方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積來完成的,。這兩個方向模板一個檢測水平邊緣,，一個檢測垂直邊緣。Sobel算子不是簡單求平均再差分,，而是加強(qiáng)了中心像素上下左右四個方向像素的權(quán)重,。Sobel 算子的表達(dá)式[1]如下所示：
由于圖像邊緣附近的亮度變化較大，所以可以把那些在鄰域內(nèi),，灰度變化超過某個適當(dāng)閾值的像素點(diǎn)當(dāng)作邊緣點(diǎn),。Sobel算子具有算法簡單、處理速度快,，所得到的邊緣光滑,、連續(xù)、且定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),，缺點(diǎn)是其邊緣較粗,。
Sobel算法的主要步驟：
(1)分別將兩個方向的模板沿著圖像從一個像素移到另一個像素，并將模板的中心像素與圖像中的某個像素位置重合,。
(2) 將模板內(nèi)的系數(shù)與其對應(yīng)的圖像像素值相乘,。
(3) 將所有乘積相加。
(4) 將兩個卷積的最大值,，賦給圖像中對應(yīng)模板中心位置的像素,，作為該像素的新灰度值。
(5) 取適當(dāng)?shù)拈撝礣H,，若像素新灰度值≥TH,，則判該像素點(diǎn)為邊緣點(diǎn)。
2.3 Hough變換
Hough變換是一種常用的直線檢測算法,。設(shè)一條直線的方程為y=kx+b,，每一對(k,b)確定一條直線。若將該方程改寫為b=-xk+y,，則(x,y)平面上的一點(diǎn)對應(yīng)于(k,b)平面上的一條直線,。而(x,y)平面上共線的點(diǎn)對應(yīng)于(k,b)平面上相交于同一點(diǎn)的一簇直線。因此,(x,y)平面上的直線與(k,b)平面上的點(diǎn)具有對應(yīng)關(guān)系[2],。由于斜率k可能取值為無窮大,，所以可以將Hough變換用直線標(biāo)準(zhǔn)方程表示：
式中, ρ為原點(diǎn)到直線的垂線距離；θ為該垂線與x軸的夾角。如果輸入圖像中存在著直線,，則h(ρ,θ)數(shù)組中最大的元素所對應(yīng)的(ρ,θ)即為輸入圖像中最長直線的參數(shù)[3],。
Hough變換的主要步驟：
(1)初始化累加陣HT（ρi,θi）=0。
(2)將邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)(xi,yi)代入?yún)?shù)方程為ρ=xcosθ+ysinθ,，對θ從0°～180°分別計算對應(yīng)的ρ值,。
(3)對相應(yīng)的HT（ρi,θi）累加，即HTρi,θi）=HT(ρi,θi）+1,。
(4)對累加陣HT中元素的值進(jìn)行讀取和判斷,，HT（ρi,θi）>T時（T為閾值），確定為存在直線,。
3 DSP配置與代碼優(yōu)化
3.1 DMA傳輸
一幅標(biāo)準(zhǔn)的VGA彩色圖像,，需要R、G,、B三個分量各8位,，即24位表示一個像素值，數(shù)據(jù)量大小為 640×480×8×3=7 372 800B,。在圖像識別中,，需要保留一份原始圖像，當(dāng)判定為覆冰報警時,，對原始圖像進(jìn)行JPEG壓縮，所以一共需要15MB的RAM空間進(jìn)行圖像暫存,。
在CMOS圖像傳感器對采集的數(shù)據(jù)量非常大的情況下,，PPI接口只有在DMA引擎的配合下，系統(tǒng)才能發(fā)揮它的高效能,。雖然對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的傳輸也可由軟件實(shí)現(xiàn),，但將消耗掉大量的CPU時鐘周期，使DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力難以發(fā)揮,。若由DMA獨(dú)立負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸,，在系統(tǒng)內(nèi)核對DMA初始設(shè)置并啟動后，便不再需要內(nèi)核參與,，DMA控制器就可直接把圖像數(shù)據(jù)從PPI接口傳輸至SDRAM存儲器進(jìn)行存儲,，在有效地解決了大批量圖像數(shù)據(jù)傳輸這一速度瓶頸的同時，又能讓DSP處理器專門從事算法處理工作,，極大地提高了系統(tǒng)的并行性能,。
ADSP-BF533的DMA可以控制六種類型的數(shù)據(jù)傳輸：內(nèi)部存儲器之間、內(nèi)部存儲器-外部存儲器,、存儲器-SPI接口,、存儲器-SPORT接口、外部存儲器-UART接口、存儲器-PPI接口,。本系統(tǒng)使用PPI接口與外部存儲器SDRAM之間的DMA傳輸,。DMA的建立步驟如下：
(1) 設(shè)置寄存器DMA1_0_START_ADDR_REG，寫入目標(biāo)地址值,。
(2) 設(shè)置寄存器DMA1_0_X_COUNT_REG,，寫入傳輸次數(shù)。
(3) 設(shè)置寄存器DMA1_0_X_MODIFY_REG,，寫入每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)地址修正值,。
(4) 設(shè)置DMA控制寄存器DMA1_0_CONFIG_REG，啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸,。
3.2 DSP代碼優(yōu)化原則
Blackfin系列DSP的優(yōu)化主要分為C語言級優(yōu)化和匯編語言級優(yōu)化,。C語言級優(yōu)化包括：選擇合適的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型,，使用自加自減降低運(yùn)算強(qiáng)度,，提高循環(huán)體效率。匯編語言級的優(yōu)化需要結(jié)合DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，并與C語言程序混合編程,，使程序結(jié)構(gòu)清晰。
C代碼的優(yōu)化有利于提高編碼的速度,，又有利于系統(tǒng)的跨平臺移植,。本文采用C語言級優(yōu)化有以下原則：
(1) 由于 BF533是16位定點(diǎn)DSP，只適合做加,、乘運(yùn)算,，而對于浮點(diǎn)運(yùn)算和除法運(yùn)算的效率則較低，所以程序中的浮點(diǎn)運(yùn)算和除法運(yùn)算,，可轉(zhuǎn)換為乘法,、移位和查表來實(shí)現(xiàn)，以提高運(yùn)算速度,。
(2) 編寫鏈接描述文件,，將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)存儲在片內(nèi)存儲器中。
(3) 減少對片外存儲器的訪問次數(shù),。對于經(jīng)常訪問的片外存儲器區(qū)域,，設(shè)置Cache使能，并可設(shè)置Cache鎖定,，防止被緩存的數(shù)據(jù)替換,，減少Cache未命中的幾率。
匯編級的優(yōu)化包括兩部分：采用線性匯編語言進(jìn)行優(yōu)化和直接用匯編語言進(jìn)行優(yōu)化,。由于系統(tǒng)編譯器的局限性,，并不能將全部的函數(shù)都很好地優(yōu)化,，這樣就需要統(tǒng)計比較耗時的C語言函數(shù)，用匯編語言重新編寫,。主要采用了以下規(guī)則對代碼進(jìn)行優(yōu)化：
(1) 使用寄存器代替局部變量,，去除多余的訪問內(nèi)存操作[4]。
(2) 使用硬件循環(huán)代替軟件循環(huán),，DSP硬件根據(jù)循環(huán)寄存器的值自動執(zhí)行循環(huán)體和退出循環(huán),，保證流水線的暢通，避免不必要的時鐘周期開銷,。
(3) 在進(jìn)行圖像壓縮時,，采用Blackfin提供的專用視頻處理指令，可以極大地提高速度,。
(4) 使用并行指令和向量指令,，充分利用DSP內(nèi)部的硬件資源的重復(fù)性，減少指令的執(zhí)行次數(shù),，提高指令的執(zhí)行效率,。
4 試驗結(jié)果
由于圖像識別對運(yùn)算速度要求并不高，通過DMA操作和DSP代碼優(yōu)化后的覆冰厚度識別算法基本上能夠滿足實(shí)際的需要,。加上GPRS通信的延時,，在10秒以內(nèi)可以完成一張報警圖片的識別、JPEG壓縮和傳送,，且由于圖像識別任務(wù)優(yōu)先級較低,，使終端仍能較快地響應(yīng)通信和其他報警請求。試驗結(jié)果表明,，電力覆冰厚度識別算法的識別率達(dá)到了92%,，尤其在背景條件清晰的雪天，識別能力更高,。
基于ADSP-BF533的電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)采用終端識別的方式，不僅較好地完成了電力線覆冰監(jiān)測的任務(wù),，更重要的是搭建了ADSP-BF533終端自動識別的監(jiān)控平臺,，是智能監(jiān)控中一種新的嘗試。隨著DSP技術(shù)的迅速發(fā)展,，以及監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)大,，智能監(jiān)控將會越來越多地要求終端系統(tǒng)能夠分擔(dān)較多的自動監(jiān)控任務(wù)，這是智能監(jiān)控發(fā)展的新趨勢,。
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