張 偉，賀德強(qiáng)，苗 劍，劉德昌，葉碧碧

ZHANG Wei, HE De-qiang, MIAO Jian, LIU De-chang, YE Bi-bi

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

隨著鐵路交通的大力發(fā)展，以及機(jī)車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行有了更高要求。目前機(jī)車(chē)狀態(tài)傳輸系統(tǒng)[1]主要涉及機(jī)車(chē)牽引控制、機(jī)車(chē)制動(dòng)控制、機(jī)車(chē)輔助控制、機(jī)車(chē)檢測(cè)控制等方面內(nèi)容，無(wú)法為地面工作人員提供機(jī)車(chē)運(yùn)行的相關(guān)視頻數(shù)據(jù)。因此，在機(jī)車(chē)上運(yùn)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)將是當(dāng)前的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，其作用主要體現(xiàn)在：1）本地存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)可以為運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)事件提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考；2）結(jié)合3G技術(shù)的使用，可以對(duì)機(jī)車(chē)內(nèi)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行。本文論述了基于DM6467的嵌入式車(chē)載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合3G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)設(shè)備間、駕駛室、以及機(jī)車(chē)前行方向的視頻采集編碼、視頻數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程點(diǎn)播的功能。

1 方案總體結(jié)構(gòu)

機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要涉及多路視頻采集編碼、本地視頻存儲(chǔ)、3G視頻傳輸模塊發(fā)以及嵌入式QT/E控制界面四個(gè)部分。其中，多路視頻采集編碼是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。此外，機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用3G技術(shù)，與地面服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，地面客戶端通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)以B/S的方式訪問(wèn)地面服務(wù)器，整體形成“車(chē)—地”、“地—車(chē)”、“地—地”的立體通信模式，使地面工作人員可以通過(guò)視頻對(duì)機(jī)車(chē)環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)控。

機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要由DaVinciTM核心模塊、視頻采集模塊、3G無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及系統(tǒng)總線等幾部分構(gòu)成。

系統(tǒng)主要硬件組成如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入電源為+12V/5A，可分別提供+1.2V,+1.8V，+3.3V和+5V的電壓。其中DM6467的核心電壓為+1.2V，DDR2的電壓為+1.8V，I/O設(shè)備電壓為+3.3V，SATA電源電壓為+5V，TVP5158供電部分為+1.1V，3G模塊選用華為的MC703無(wú)線模塊，其工作電壓為+3.8V，其中+1.1V和+3.8V由+5V電源通過(guò)DC/DC獲得。

圖2 車(chē)載視頻監(jiān)控硬件平臺(tái)

2.1 DaVinciTM核心模塊

系統(tǒng)的核心硬件選用TMS320DM6467[2]，其充分利用了TI公司的DaVinci?技術(shù)，是一款具備高速數(shù)字媒體處理能力的新一代嵌入式設(shè)備，它集成了高性能的TMS320C64x + DSP內(nèi)核和ARM926EJ-S內(nèi)核，支持高清視頻/影像協(xié)處理器 (HD-VICP)、視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎以及目標(biāo)視頻端口接口。

其中，ARM926EJ-S是一個(gè)32位RISC處理器內(nèi)核，具有500MHz的時(shí)鐘頻率，執(zhí)行32位或16位指令，處理32位、16位或8位數(shù)據(jù)。其內(nèi)部包含一個(gè)協(xié)處理器和保護(hù)模塊，擁有獨(dú)立的16K字節(jié)的指令緩存以及8K字節(jié)的高速數(shù)據(jù)緩存。

TMS320C64x+DSP是TMS320C6000 DSP系列中性能最高的定點(diǎn)DSP產(chǎn)品，基于第二代高性能增強(qiáng)版本，使用超長(zhǎng)指令字（VLIW）架構(gòu)，在1GHz時(shí)鐘頻率下可以達(dá)到8000MIPS的運(yùn)算能力，擁有64個(gè)32-bit的通用寄存器、8個(gè)獨(dú)立控制單元，完全具備處理多路視頻編碼的運(yùn)算能力。

2.2 視頻采集模塊

系統(tǒng)采用TI公司的視頻解碼芯片TVP5158，主要功能是將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其主要特點(diǎn)是采用自動(dòng)對(duì)比度控制與視頻噪聲過(guò)濾技術(shù)[3]，可同時(shí)采集4通道視頻數(shù)據(jù)，具有優(yōu)異的視頻解碼性能。機(jī)車(chē)上設(shè)計(jì)采用8通道，分別為：設(shè)備間前后2通道，司機(jī)室前后2通道，以及機(jī)車(chē)兩端各1通道，剩下2通道保留。根據(jù)視頻采集系統(tǒng)需求，將16bit的視頻輸入接口作為2個(gè)8bit接口使用，擴(kuò)展出一路TVP5158。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用兩片TVP5158用于處理攝像頭采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，數(shù)據(jù)處理完畢后產(chǎn)生的并行數(shù)字信號(hào)以BT656碼流格式輸出，并從DM6467視頻端接口（VPIF）流入。TVP5158的工作方式、采集狀態(tài)等通過(guò)設(shè)置其內(nèi)部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，寄存器的配置由I2C總線完成。

視頻采集模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 視頻采集模塊

2.3 視頻存儲(chǔ)模塊

視頻存儲(chǔ)功能主要是通過(guò)ARM端子系統(tǒng)控制。對(duì)編碼完畢的視頻，根據(jù)系統(tǒng)配置需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)。DM6467片上整合了ATA接口，并通過(guò)ACARD公司的ARC 772轉(zhuǎn)換得到SATA接口。

ARC-772是SATA 3G-to-IDE橋接晶片，主要功能是接通IDE存儲(chǔ)裝置到SATA控制芯片，將SATA及IDE兩者間的數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)換，達(dá)到3Gbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸?？紤]機(jī)車(chē)高速行駛中的震動(dòng)以及電氣設(shè)備間存在磁場(chǎng)干擾，設(shè)計(jì)采用2.5寸80GB SSD固態(tài)硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)。

目前國(guó)內(nèi)視頻采集主要采用兩種格式：CIF和D1（4CIF）。其中CIF格式的分辨率為352×288，一小時(shí)錄像占用硬盤(pán)大小約為200MB；D1格式的分辨率為720×480，一小時(shí)占用硬盤(pán)大小約為4倍的CIF格式，即800MB。綜合考慮，系統(tǒng)默認(rèn)采用CIF格式存儲(chǔ)，可以保證更長(zhǎng)的視頻存儲(chǔ)周期。在實(shí)際使用過(guò)程中可以增加硬盤(pán)大小或數(shù)量,使用視頻效果更好的D1格式進(jìn)行保存。對(duì)于超過(guò)保存期限的視頻，系統(tǒng)對(duì)其自動(dòng)刪除，該功能通過(guò)ARM子系統(tǒng)中軟件控制部分實(shí)現(xiàn)。

2.4 3G通信模塊

MC703是華為公司推出的一款CMDA EVDO無(wú)線模塊[4]，使用CDMA 800/1900頻段，支持天線分集接收，使用標(biāo)準(zhǔn)AT指令和HUAWEI擴(kuò)展AT指令集。該產(chǎn)品正常工作環(huán)境溫度為-30℃至+70℃，完全滿足機(jī)車(chē)在各種惡劣環(huán)境下的工作要求。D6467通過(guò)USB總線與MC703模塊進(jìn)行通信和控制，處理器為USB主設(shè)備，模塊為USB從設(shè)備，使用USB_DP和USB_DN兩個(gè)引腳與MC703的USB_D-和USB_D+相連，電路如圖4所示。通過(guò)配置Linux內(nèi)核并加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化模塊，通過(guò)AT指令對(duì)模塊進(jìn)行控制。

3G模塊的初始化流程為：1）系統(tǒng)將其USB端口映射為串口形式，并通過(guò)AT命令對(duì)其進(jìn)行設(shè)置；2）進(jìn)行PPP網(wǎng)絡(luò)連接，使用腳本方式完成，連接成功后會(huì)在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里識(shí)別出一個(gè)PPP的設(shè)備。

2.5 CAN總線

現(xiàn)有機(jī)車(chē)上的數(shù)據(jù)傳輸部分采用CAN總線方式，為了使視頻監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)有機(jī)車(chē)信息平臺(tái)具有良好的兼容性，本系統(tǒng)擴(kuò)展一路CAN接口，使用MCP2510 CAN總線控制器和TJA1050收發(fā)器。

MCP2510CAN總線控制器支持CAN2.0A/B[5]，具有SPI接口，工作溫度范圍為-45℃至+125℃，完全符合工業(yè)環(huán)境要求。TJA1050 是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。

DM6467具有串行外圍接口（SPI），可以使用SPI_CS、SPI_CLK、SPI_SIMO、SPI_SOMI、EINT與MCP2510的CS、SCK、SI、SO、INT相連，并配合TJA1050收發(fā)器使用，支持CAN2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，電路如圖4所示。

圖4 MC703、MCP2510接口原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)基于CCS3.3完成[6]，CCS（Code Composer Studio）IDE中集成了強(qiáng)大的DSP開(kāi)發(fā)工具，并且支持雙核開(kāi)發(fā)，通過(guò)編寫(xiě)工程文件，分別生成DSP端子系統(tǒng)下和ARM端子系統(tǒng)下的.out執(zhí)行文件，加載到不同的存儲(chǔ)空間運(yùn)行。系統(tǒng)基于Codec Engine框架實(shí)現(xiàn)H.264編碼器[7]，完成系統(tǒng)的視頻編碼。

3.1 QT/E系統(tǒng)控制平臺(tái)

本系統(tǒng)的控制部分主要由ARM端實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)使用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置和剪裁。文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用支持QT/E的文件系統(tǒng)，因此需要將QT/E庫(kù)文件拷貝到相應(yīng)的文件系統(tǒng)目錄下，將生成的.bin文件移植到目標(biāo)平臺(tái)。

圖5 系統(tǒng)控制平臺(tái)

QT/E是一款應(yīng)用于嵌入式的圖形界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是可移植性好。QT支持眾多平臺(tái)，并且在各個(gè)平臺(tái)上所使用的API是相同的，這就意味著對(duì)于不同平臺(tái)所設(shè)計(jì)出來(lái)的應(yīng)用軟件，在相互移植過(guò)程中，只需要在相應(yīng)的環(huán)境下進(jìn)行少量修改甚至不修改，再重新進(jìn)行編譯即可以直接使用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用QT/E作為系統(tǒng)的控制界面，主要是對(duì)外設(shè)的管理以及參數(shù)的設(shè)置，其實(shí)際效果如圖5所示。

3.2 Boa Web服務(wù)器

系統(tǒng)具備視頻遠(yuǎn)程點(diǎn)播功能，該功能的實(shí)現(xiàn)是基于Boa Web服務(wù)器的應(yīng)用。首先在PC機(jī)上配置并交叉編譯Boa源碼，然后移植到目標(biāo)系統(tǒng)平臺(tái)。當(dāng)?shù)孛婵蛻舳诉x擇查看機(jī)車(chē)視頻的時(shí)候，采用B/S模式向地面服務(wù)器驗(yàn)證身份，并獲取車(chē)載Boa Web服務(wù)器地址，然后根據(jù)用戶等級(jí)向車(chē)載系統(tǒng)上的Boa Web服務(wù)器發(fā)送查看視頻請(qǐng)求，Boa Web服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中，保證視頻編碼的同步以及實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵因素就是DSP端的運(yùn)算速率。TMS320C64x+DSP內(nèi)核具有L1/L2的片內(nèi)存儲(chǔ)空間，其中L1分為程序存儲(chǔ)器L1P和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L1D，其大小都為32KB；L2具有128KB的片內(nèi)存儲(chǔ)空間。在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)將使用頻繁的數(shù)據(jù)或指令保存在片內(nèi)cache上，提高L1/L2命中率，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。另外，本系統(tǒng)是運(yùn)用在機(jī)車(chē)上的視頻監(jiān)控，可以通過(guò)針對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化H.264編碼算法，達(dá)到系統(tǒng)整體性能的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文把DaVinciTM技術(shù)應(yīng)用在鐵路交通中，結(jié)合3G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控以及遠(yuǎn)程點(diǎn)播的功能。設(shè)計(jì)方案采用功能模塊形式，使硬件和軟件布局更加清晰。DM6467具備DSP和ARM雙內(nèi)核，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)更加便捷，減少了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，具有一定市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)測(cè)試，機(jī)車(chē)以110km/h速度運(yùn)行，采集視頻畫(huà)面清晰流暢，完全達(dá)到了預(yù)期的要求，該技術(shù)在機(jī)車(chē)上的推廣與應(yīng)用，為其安全運(yùn)營(yíng)提供了有效的技術(shù)保障。

[1]章睿,苗劍,賀德強(qiáng),等.AJAX技術(shù)在機(jī)車(chē)智能維護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,35(4):273-276.

[2]TI.TMS320DM6467T Digital Media System-on-Chip[EB/OL].http://www.ti.com,2010-07.

[3]TI.TVP5158:Four-Channel PAL/NTSC Video Decoder[EB/OL].http://www.ti.com,2010-10.

[4]HUAWEI.MC703 CDMA EV-DO無(wú)線模塊V100R001[EB/OL].2009,06.

[5]Microchip.MCP2510 Stand-Alone CAN Controller with SPITM Interface[EB/OL].2005-01

[6]趙勇,等.DAVINCI技術(shù) 原理與應(yīng)用指南[M].南京:東南大學(xué)出版社,2008.

[7]卓力,等.基于DSP平臺(tái)的H.264編碼與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,36(7):882-889.