基于SOPC的列车环境异物入侵监测系统研究

随着我国经济社会的快速发展，铁路客货运输量不断增加，列车运行速度不断提高，给铁路安全监控带来巨大的压力，其中铁路异物侵限严重影响到列车的运行安全。由于列车在露天高速行驶中环境因素不可预测，轨道异物侵限可能会给行车安全带来严重后果。轨道异物是指铁道上影响到正常行车安全的障碍物，如山体滑坡、泥石流塌方等造成的道上沙石、桥梁隧道掉落的悬挂物、因报警失误仍滞留在道上作业的工务人员以及相关装备。由于铁路异物侵限检测系统的高速度、低漏检率、低误报率等要求，使传统的以软件为核心的IDS面临着越来越大的压力，仅靠模式匹配算法的改进对入侵检测速度的提高是有限的，不是解决问题的根本策略。

SOPC(System On a Programmable Chip)称为可编程片上系统，它是一种灵活高效地解决方案，而且设计周期短，设计成本低。SOPC Bu-ilder是Altera公司实现SOPC概念的一款工具软件，用于组建一个在模块级和组件级定义的系统。SOPC Builder的组件库包含了从简单的固定逻辑功能块到复杂的、参数化的、可以动态生成的子系统等一系列的组件，用户还可简单地创建定制的SOPC Builder组件，方便地实现各种系统功能的配置。本文给出一种分布式列车环境异物入侵的前端监测系统，通过在FPGA上构建NiosⅡ软核处理器、各种各样的外设和自定义组件等，设计实现一个定制的SOPC实时监测系统，完成对前端视频数据的实时采集和处理，并通过网络将数据传送到列车控制中心。

1 系统整体架构

本系统采用SOPC实现分布式列车环境异物入侵前端监测功能。一个NiosⅡ处理器系统由NiosⅡCPU和一系列的外设组成，开发基于Nios-Ⅱ的嵌入式系统，关键在于如何根据功能需要定制NiosⅡ及设计自定义接口。系统采用ADV7l8lB完成模拟视频解码处理，完成CVBS等模拟视频信号到YCrCb数字信号的转换，用硬件描述语言(VHDL)设计视频数据采集模块IP核，来实现前端的视频数据采集。由于采集的视频数据是海量数据，这给存储和传输都带来了很大的不便，需要对视频数据进行预处理，以降低数据量，系统采用VHDL设计相应的视频数据处理模块IP核。最后把数据通过网络传送到列车控制中心，以太网接口模块用友晶科技提供的太网接口IP。将这些IP核以自定义组件的形成添加到Nios-Ⅱ系统中去，并添加一些必要的存储器、人机接口和定时器等，构建成所需的SOPC系统，整个系统的框图如图1所示。

2 视频图像采集处理模块设计

采集模块是整个系统非常重要的组成部分，采集质量的好坏将直接影响整个系统的识别效果。本系统视频A／D转换器选用ADV7181B，它能够自动检测和转化标准的NTSC、PAL和SECAM制的模拟电视基带复合信号，输出4：2：2的符合ITU-R656(国际电信联盟的视频标准)标准的16位／8位复合视频数据，支持6路模拟视频信号的输入。ADV7l81B通过I2C总线实现配置，同时能输出行、场同步信号。ADV718lB输出的数字视频数据通过8位总线TDDATA传输给FPGA。FPGA经视频解码模块在视频数据中识别出有效数据，再根据系统对图像精度的要求进行处理，生成三种数据图像，分别有RGB彩色图像、灰度图像和二值化图像，最后将图像传送到缓存FIFO中，输出到NiosⅡCPU。最后由处理器控制将视频数据写到SDRAM中。图2是视频采集处理模块框图，其中，彩色图、灰度图、二值化图的数据量之比是384：128：1，可根据实际视频图像的需要，选择不同数据量的图像。

系统内各模块功能简要描述如下：

1)ITU-R656解码模块接收从视频A／D转换器ADV7181B送来的数字视频流，然后对数字视频流进行解码，产生YUV3路视频信号，识别出行、场同步信号。

2)3个视频缓存模块系统各设计一个FIFO，根据视频数据的大小，缓冲深度各不相同，用于视频数据的缓存。其中FIFO是使用Altera提供的可参数化宏功能模块和LPM函数进行设计，具体是通过Mega Wizard Plug-In Manager的GUI向导实现。

3)I2C配置模块通过I2C总线对ADV7181B进行初始化配置，选择产生的数字视频格式等。

4)色彩空间转换模块完成色彩空间由YUV到RGB的转换，使视频数据适合在VGA显示。色彩空间由YUV到RGB的转换按以下转化公式编写相应的硬件描述语言。

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硬件电路模块如图3所示。

5)图2中Y的输出即为图像的灰度值，Y值的信息可以完整地描述一幅灰度图(灰度等级为256)。将灰度值经二值化后就可以得到一幅二值化的图像，关键是阈值的选择，在这里将灰度阈值设置成可调的输入量，就可以根据具体的应用环境设定理想的阈值。二值化的硬件模块也是用硬件描述语言描述的，生成的模块如图4所示，其工作原理是当图像值大于阈值时输出l，否则输出0。