鐵路路外傷亡事故時(shí)常發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失,，給列車正常運(yùn)行帶來了極大危害,。京津城際鐵路客運(yùn)專線以及武廣客運(yùn)專線的順利開通，對(duì)列車運(yùn)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(cè),，并且即使發(fā)現(xiàn)路障，采取措施往往為時(shí)已晚,。這就迫切需要一套有效檢測(cè)鐵路路障并能遠(yuǎn)距離及時(shí)為列車司機(jī)提供報(bào)警的裝置,。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]給出的鐵路路障視頻檢測(cè)報(bào)警算法,，主要針對(duì)于直線軌道路段而未對(duì)危險(xiǎn)性更高的曲線區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)探討,。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,，則通過無線通信將報(bào)警信號(hào)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(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(jí)緩存，具有豐富的外圍配置：3個(gè)可配置的視頻端口(VP0,、VP1,、VP2)、1個(gè)以太網(wǎng)控制器(EMAC),、1個(gè)管理數(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO),、1個(gè)內(nèi)插VCXO控制接口、1個(gè)I²C總線,、3個(gè)32 bit通用定時(shí)器,、1個(gè)用戶配置的16 bit或32 bit主機(jī)接口(HPI16/HPI32)、1個(gè)PCI,、1個(gè)16引腳的通用輸入輸出口(GP0),、1個(gè)64 bit外部存儲(chǔ)接口（EMIF），支持異步存儲(chǔ)器和同步存儲(chǔ)器直接接口,，共有1 024 MB可尋址外部存儲(chǔ)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(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,。
      (1)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,。

    (2)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)中使用最多的+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)最小,，必須利用干凈的電源為DM642的外部晶振電路供電，同時(shí),，最小的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(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),?？紤]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(jì)中已得到廣泛應(yīng)用,，這類器件可以通過軟件編程而對(duì)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(jì)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(gè)頁地址并給無線發(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言為VHDL語言。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(gè)為433 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)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(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,，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(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(cè)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(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。
    (1)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,，等待下一次循環(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,。
    (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(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?；赥MS320DM642專業(yè)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,。
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