鐵路路外傷亡事故時常發(fā)生,，給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失，給列車正常運行帶來了極大危害,。京津城際鐵路客運專線以及武廣客運專線的順利開通,，對列車運行安全提出了新的要求。列車速度快,、慣性大,，僅憑列車司機(jī)肉眼來判別路障，很難保證路障的有效檢測,，并且即使發(fā)現(xiàn)路障,，采取措施往往為時已晚。這就迫切需要一套有效檢測鐵路路障并能遠(yuǎn)距離及時為列車司機(jī)提供報警的裝置,。文獻(xiàn)[1],、文獻(xiàn)[2]給出的鐵路路障視頻檢測報警算法，主要針對于直線軌道路段而未對危險性更高的曲線區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)探討,。本文實現(xiàn)的鐵路路障視頻報警系統(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)用場合。
1 系統(tǒng)組成
    傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本信號為模擬信號,，其傳輸距離短,、擴(kuò)展能力差，而且視頻信號的存儲會耗費大量的存儲介質(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)計了一種基于DSP,、視頻圖像處理技術(shù)和無線報警技術(shù)的嵌入式鐵路路障視頻報警系統(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,，則通過無線通信將報警信號發(fā)送到安置于列車上的無線接收裝置,，機(jī)車司機(jī)根據(jù)報警信號采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，從而避免事故的發(fā)生,。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)外圍配置可分為5大模塊：電源管理模塊,、時鐘模塊、EMIF內(nèi)存擴(kuò)展模塊,、可編程邏輯模塊和無線收發(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公司于2002年推出的一款高端專用視頻處理芯片[3]，其最高工作主頻可達(dá)720 MHz,，處理能力可達(dá)5 760 MIPS,。DM642使用兩級緩存，具有豐富的外圍配置：3個可配置的視頻端口(VP0,、VP1,、VP2)、1個以太網(wǎng)控制器(EMAC),、1個管理數(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO),、1個內(nèi)插VCXO控制接口,、1個I²C總線、3個32 bit通用定時器,、1個用戶配置的16 bit或32 bit主機(jī)接口(HPI16/HPI32),、1個PCI、1個16引腳的通用輸入輸出口(GP0),、1個64 bit外部存儲接口（EMIF）,，支持異步存儲器和同步存儲器直接接口，共有1 024 MB可尋址外部存儲空間,。
    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輸入格式轉(zhuǎn)換芯片。TVP5150PBS功耗低,、體積小,，正常工作時，功耗僅為115 mW,。支持NTSC/PAL/SECAM等格式,，輸入信號按照YcbCr 4：2：2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以8 bit內(nèi)嵌同步信號的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總線實現(xiàn)對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,，用來控制VP口對數(shù)據(jù)視頻流進(jìn)行采集；SCLK為DM642提供2倍像素時鐘信號,，用來控制DM642的視頻口對像素信號的采集,；當(dāng)DM642的視頻口作為8 bit視頻口時，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)計中起著重要作用,。特別是在高速電子設(shè)計中,，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)測電路,。
      (1)供電電路
      DM642芯片需要2個獨立的電壓：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)計時必須保證當(dāng)其他供電值低于合適的操作電壓時,，系統(tǒng)所有供電的上電時間不超過1 s，否則極易對芯片造成損害。從系統(tǒng)級考慮,，總線競爭要求按順序上電,，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)計時，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。

    (2)電源監(jiān)測電路
    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,，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài),，當(dāng)電壓下降至設(shè)定值時，產(chǎn)生復(fù)位信號,，并且允許系統(tǒng)在任意時刻都可以通過復(fù)位來調(diào)整工作狀態(tài),。設(shè)計中選用TI公司的TPS3823-33芯片，對系統(tǒng)中使用最多的+3.3 V電壓進(jìn)行監(jiān)測,，提高系統(tǒng)的可靠性,。
2.1.3 時鐘模塊
    在設(shè)計DSP系統(tǒng)時，應(yīng)盡量使用DSP片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL),，以降低片外時鐘頻率,，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。CLKMODE[1:0]和AEA[20:19]主要用于對系統(tǒng)時鐘的設(shè)置,。本系統(tǒng)的輸入時鐘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的時鐘為ECLKIN，即133 MHz,。為使得到的時鐘頻率抖動最小,，必須利用干凈的電源為DM642的外部晶振電路供電，同時,，最小的CLKIN上升和下降時間也要考慮,。系統(tǒng)中所使用到的時鐘頻率還有視頻解碼芯片所需的14.31818 MHz。以上用到多個不同頻率的時鐘信號,，本設(shè)計中選用2片Cypress Semiconductor公司生產(chǎn)的CY22381芯片來提供,。
2.1.4 EMIF內(nèi)存擴(kuò)展模塊
    由于系統(tǒng)主要用于視頻圖像處理，所以運行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)?？紤]到系統(tǒng)程序運行也要占用大量的存儲空間,，DM642內(nèi)部僅有的256 KB的SRAM已不能滿足系統(tǒng)正常運行的需求。DM642提供了1個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個頁地址由FPGA提供,。
2.1.5 可編程邏輯模塊
    可編程邏輯器件在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中已得到廣泛應(yīng)用，這類器件可以通過軟件編程而對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu),，使硬件的設(shè)計如同軟件編程一樣方便快捷,，具有極大的靈活性和通用性。本系統(tǒng)中由于要給外部FLASH提供3個頁地址并給無線發(fā)送模塊提供報警信號,，選用ALTERA公司的FPGA器件EPF10K10LC84,。設(shè)計中采用的硬件描述語言為VHDL語言。輸入信號有：RESET復(fù)位信號,，系統(tǒng)地址總線的3,、4、5,、6,、7、22 bit,；CE1空間片選信號,；系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線0~7 bit。輸出信號有：FLASH的片選信號,；8 bit數(shù)字I/O輸出口,；FLASH頁地址輸出口[6]。
2.1.6 無線收發(fā)模塊
    Nordic公司推出的nRF401是一個為433 MHz ISM頻段設(shè)計的真正UHF無線收發(fā)芯片,，采用FSK調(diào)制技術(shù),，在無線防盜和井下定位無線數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。本系統(tǒng)采用2片nRF401作為無線收發(fā)設(shè)備,，1片隨系統(tǒng)裝置安裝在鐵道監(jiān)控點,，設(shè)置為發(fā)送模式,，即TXEN=1，將其DIN接口與FPGA設(shè)計的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,，即通過對FPGA的控制向DIN口發(fā)出報警信號。另一片安裝在駕駛室,，設(shè)置為接收模式,，即TXEN=0，其DOUT接口與報警器相連,，當(dāng)其接收到報警信號后,，便驅(qū)動報警器通知列車司機(jī)。DIN是數(shù)據(jù)發(fā)送腳,，連到該腳的電平必須是CMOS電平,，最高速率是20 kb/s，無需進(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
    本系統(tǒng)是基于DSP的實時圖像采集處理系統(tǒng)，其軟件工作過程主要分為3個階段：(1)鐵路框架提取及監(jiān)測范圍定標(biāo),；(2)循環(huán)檢測指定范圍內(nèi)路障并判斷動向,；(3)根據(jù)路障類型發(fā)送報警信號。
    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)測范圍定標(biāo)
    當(dāng)系統(tǒng)開始運行時,，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,，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最接近路軌條件的初始化框架曲線,，最后根據(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),，得到最終的路障監(jiān)測區(qū)域,。該階段僅在系統(tǒng)初始化程序中執(zhí)行一次。
2.2.2 循環(huán)檢測指定范圍內(nèi)路障并判斷動向
    當(dāng)路軌監(jiān)測范圍定標(biāo)之后,，系統(tǒng)進(jìn)入路障實時跟蹤階段,。該階段將對圖像進(jìn)行實時捕獲。
    首先是背景幀的獲取,。每隔一定的循環(huán)次數(shù),，如果當(dāng)前實時捕獲的圖像經(jīng)過判定后不需要報警，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,。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,，此時不報警,，但立即用當(dāng)前圖像更新背景幀；如果差值很小,，可以忽略,，則不報警繼續(xù)循環(huán)捕獲新的實時圖像；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)果分別對待。
    (1)如果結(jié)果較大,，則說明此時有障礙物處于路軌范圍內(nèi),，但不確定其動向，等待下一次循環(huán)捕獲圖像進(jìn)行動向判定,，且此時即使達(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)有障礙物且運動情況不足以確保安全，則判定為報警事件,；否則其動向判定為處于安全范圍,，為非報警事件。
    (2)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,，歸類為非報警事件,。
2.2.3 報警信號發(fā)送
    如果經(jīng)過程序處理得到報警事件，則向行駛機(jī)車進(jìn)行路障報警,。
3 系統(tǒng)測試
    本文設(shè)計實現(xiàn)的基于DM642的鐵路路障視頻報警系統(tǒng)檢測圖分別如圖6,、圖7所示，提取鐵軌框架以確定有效的報警范圍,。當(dāng)鐵軌上出現(xiàn)影響列車安全運行的路障時,，報警系統(tǒng)能夠?qū)β氛线M(jìn)行有效識別，產(chǎn)生報警信號,，經(jīng)無線收發(fā)裝置向機(jī)車司機(jī)報警,。

    本文所設(shè)計實現(xiàn)的鐵路路障視頻報警裝置的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)使整個系統(tǒng)便于安裝和調(diào)試，能夠適應(yīng)惡劣復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境,?；赥MS320DM642專業(yè)視頻處理平臺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警區(qū)域，有效判斷識別影響列車行車安全的鐵路路障,。無線傳輸技術(shù)的采用有效解決了報警信號向運動列車的傳輸問題,。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,。
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