摘要：研究一種基于SOPC技術(shù)的列車(chē)分布式環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸集成到單片F(xiàn)PGA上,，采集和處理部分用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)成硬件模塊,，作為外設(shè)掛到NiosⅡ系統(tǒng)中，傳輸部分采用以太網(wǎng)接口IP核,，構(gòu)建成SOPC系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。同時(shí)，用戶(hù)可以方便地添加IP核來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)功能,。最后,，在A(yíng)ltera公司的DE2開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,。
關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng)(SOPC),；異物侵限；視頻采集,；NiosⅡ

    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,，鐵路客貨運(yùn)輸量不斷增加,，列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，給鐵路安全監(jiān)控帶來(lái)巨大的壓力,，其中鐵路異物侵限嚴(yán)重影響到列車(chē)的運(yùn)行安全,。由于列車(chē)在露天高速行駛中環(huán)境因素不可預(yù)測(cè)，軌道異物侵限可能會(huì)給行車(chē)安全帶來(lái)嚴(yán)重后果,。軌道異物是指鐵道上影響到正常行車(chē)安全的障礙物,，如山體滑坡、泥石流塌方等造成的道上沙石,、橋梁隧道掉落的懸掛物,、因報(bào)警失誤仍滯留在道上作業(yè)的工務(wù)人員以及相關(guān)裝備。由于鐵路異物侵限檢測(cè)系統(tǒng)的高速度,、低漏檢率,、低誤報(bào)率等要求，使傳統(tǒng)的以軟件為核心的IDS面臨著越來(lái)越大的壓力,，僅靠模式匹配算法的改進(jìn)對(duì)入侵檢測(cè)速度的提高是有限的,，不是解決問(wèn)題的根本策略。
    SOPC(System On a Programmable Chip)稱(chēng)為可編程片上系統(tǒng),，它是一種靈活高效地解決方案,，而且設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低,。SOPC Bu-ilder是Altera公司實(shí)現(xiàn)SOPC概念的一款工具軟件,，用于組建一個(gè)在模塊級(jí)和組件級(jí)定義的系統(tǒng)。SOPC Builder的組件庫(kù)包含了從簡(jiǎn)單的固定邏輯功能塊到復(fù)雜的,、參數(shù)化的,、可以動(dòng)態(tài)生成的子系統(tǒng)等一系列的組件，用戶(hù)還可簡(jiǎn)單地創(chuàng)建定制的SOPC Builder組件,，方便地實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的配置,。本文給出一種分布式列車(chē)環(huán)境異物入侵的前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在FPGA上構(gòu)建NiosⅡ軟核處理器,、各種各樣的外設(shè)和自定義組件等,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)定制的SOPC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)前端視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理,，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到列車(chē)控制中心,。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
    本系統(tǒng)采用SOPC實(shí)現(xiàn)分布式列車(chē)環(huán)境異物入侵前端監(jiān)測(cè)功能。一個(gè)NiosⅡ處理器系統(tǒng)由NiosⅡCPU和一系列的外設(shè)組成,，開(kāi)發(fā)基于Nios-Ⅱ的嵌入式系統(tǒng),，關(guān)鍵在于如何根據(jù)功能需要定制NiosⅡ及設(shè)計(jì)自定義接口。系統(tǒng)采用ADV7l8lB完成模擬視頻解碼處理，完成CVBS等模擬視頻信號(hào)到Y(jié)CrCb數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,，用硬件描述語(yǔ)言(VHDL)設(shè)計(jì)視頻數(shù)據(jù)采集模塊IP核,，來(lái)實(shí)現(xiàn)前端的視頻數(shù)據(jù)采集。由于采集的視頻數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù),，這給存儲(chǔ)和傳輸都帶來(lái)了很大的不便,，需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以降低數(shù)據(jù)量,，系統(tǒng)采用VHDL設(shè)計(jì)相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)處理模塊IP核,。最后把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到列車(chē)控制中心，以太網(wǎng)接口模塊用友晶科技提供的太網(wǎng)接口IP,。將這些IP核以自定義組件的形成添加到Nios-Ⅱ系統(tǒng)中去,，并添加一些必要的存儲(chǔ)器、人機(jī)接口和定時(shí)器等,，構(gòu)建成所需的SOPC系統(tǒng),，整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖l所示。

2 視頻圖像采集處理模塊設(shè)計(jì)
    采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的組成部分,，采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別效果。本系統(tǒng)視頻A／D轉(zhuǎn)換器選用ADV7181B,，它能夠自動(dòng)檢測(cè)和轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的NTSC,、PAL和SECAM制的模擬電視基帶復(fù)合信號(hào)，輸出4：2：2的符合ITU-R656(國(guó)際電信聯(lián)盟的視頻標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)的16位／8位復(fù)合視頻數(shù)據(jù),，支持6路模擬視頻信號(hào)的輸入,。ADV7l81B通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)配置，同時(shí)能輸出行,、場(chǎng)同步信號(hào),。ADV718lB輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)通過(guò)8位總線(xiàn)TDDATA傳輸給FPGA。FPGA經(jīng)視頻解碼模塊在視頻數(shù)據(jù)中識(shí)別出有效數(shù)據(jù),，再根據(jù)系統(tǒng)對(duì)圖像精度的要求進(jìn)行處理,，生成三種數(shù)據(jù)圖像，分別有RGB彩色圖像,、灰度圖像和二值化圖像,，最后將圖像傳送到緩存FIFO中，輸出到NiosⅡCPU,。最后由處理器控制將視頻數(shù)據(jù)寫(xiě)到SDRAM中,。圖2是視頻采集處理模塊框圖，其中,，彩色圖,、灰度圖、二值化圖的數(shù)據(jù)量之比是384：128：1，可根據(jù)實(shí)際視頻圖像的需要,，選擇不同數(shù)據(jù)量的圖像,。

    系統(tǒng)內(nèi)各模塊功能簡(jiǎn)要描述如下：
    1)ITU-R656解碼模塊接收從視頻A／D轉(zhuǎn)換器ADV7181B送來(lái)的數(shù)字視頻流，然后對(duì)數(shù)字視頻流進(jìn)行解碼,，產(chǎn)生YUV3路視頻信號(hào),，識(shí)別出行、場(chǎng)同步信號(hào),。
    2)3個(gè)視頻緩存模塊系統(tǒng)各設(shè)計(jì)一個(gè)FIFO,，根據(jù)視頻數(shù)據(jù)的大小，緩沖深度各不相同,，用于視頻數(shù)據(jù)的緩存,。其中FIFO是使用Altera提供的可參數(shù)化宏功能模塊和LPM函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體是通過(guò)Mega Wizard Plug-In Manager的GUI向?qū)?shí)現(xiàn),。
    3)I2C配置模塊通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)ADV7181B進(jìn)行初始化配置,，選擇產(chǎn)生的數(shù)字視頻格式等。
    4)色彩空間轉(zhuǎn)換模塊完成色彩空間由YUV到RGB的轉(zhuǎn)換,，使視頻數(shù)據(jù)適合在VGA顯示,。色彩空間由YUV到RGB的轉(zhuǎn)換按以下轉(zhuǎn)化公式編寫(xiě)相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言。
    R=1．0Y+O+1．402(Cr-128)
    G=1．0Y-0．344 13(Cb-128)-0．714 14(V-128)
    B=1．OY+1．772(Cb-128)
    最后生成的YUV到RGB硬件電路模塊如圖3所示,。

    5)圖2中Y的輸出即為圖像的灰度值,，Y值的信息可以完整地描述一幅灰度圖(灰度等級(jí)為256)。將灰度值經(jīng)二值化后就可以得到一幅二值化的圖像,，關(guān)鍵是閾值的選擇,，在這里將灰度閾值設(shè)置成可調(diào)的輸入量，就可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境設(shè)定理想的閾值,。二值化的硬件模塊也是用硬件描述語(yǔ)言描述的,，生成的模塊如圖4所示，其工作原理是當(dāng)圖像值大于閾值時(shí)輸出l,，否則輸出O,。

3 視頻數(shù)據(jù)圖像傳輸模塊設(shè)計(jì)
    視頻數(shù)據(jù)圖像傳輸部分采用SOPC Builder工具自帶的以太網(wǎng)接口IP核，將其添加到NiosⅡ系統(tǒng)中,，構(gòu)建成SOPC系統(tǒng),。其中，DM9000A是一款高速網(wǎng)絡(luò)控制器,，它具有通用處理器接口,，1個(gè)10／100M PHY和4K字節(jié)的SRAM，它支持8位和16位2種數(shù)據(jù)接口,。SOPC Builder提供將DM-9000A連接到Avalon總線(xiàn)上所需要的接口邏輯,。圖5是DM9000A IP核接口模塊,，分為輸入和輸出兩部分，一部分是模塊與Avalon總線(xiàn)的連接信號(hào),，另一部分是模塊與FPGA外部的DM9000A連接的信號(hào),。

    最后根據(jù)需要配置得到的NiosⅡ軟核處理器如圖6所示。NiosⅡ是一個(gè)用戶(hù)可配置的通用RISC嵌入式處理器,，NiosII集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)是NiosⅡ系列嵌入式處理器的基本軟件開(kāi)發(fā)工具,，所有軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)都可以在NiosⅡIDE下完成。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹一種基于SOPC的列車(chē)分布式環(huán)境異物入侵前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，詳細(xì)介紹了SOPC硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置過(guò)程,，以及基于此硬件系統(tǒng)配置的NiosⅡ軟核處理器的軟件設(shè)計(jì)。最后在A(yíng)ltera公司的DE2開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試,，監(jiān)測(cè)得到前端灰度圖像如圖7所示,，達(dá)到了前端檢測(cè)的目的。列車(chē)環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程包括對(duì)各模塊的初始化和對(duì)各模塊的流程控制,，主要有視頻采集控制,、圖像處理控制、圖像SDRAM存儲(chǔ)控制,、以太網(wǎng)接口控制流程等設(shè)計(jì),。

    基于SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于不但軟件是可以編程的，構(gòu)建的硬件系統(tǒng)也是可編程的,，這就為系統(tǒng)的靈活配置和軟件的靈活設(shè)計(jì)提供了很大的方便,，也有利于系統(tǒng)的后期優(yōu)化和升級(jí)。在設(shè)計(jì)時(shí),，要注意根據(jù)具體的硬件資源大小和實(shí)現(xiàn)速度要求，選擇硬件實(shí)現(xiàn)還是軟件模擬,。同時(shí)還要注意前端采集模塊的抗抖動(dòng)設(shè)計(jì),。這種量體裁衣的硬件配置方式可以最大限度地提高系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，使得SOPC技術(shù)在環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用空間,。也可以利用HardCopy技術(shù),，將實(shí)現(xiàn)于FPGA器件上的列車(chē)分布式環(huán)境異物入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化。