解立強， 蓋 林

(1.中鐵電氣化局集團有限公司電氣化公司，北京 100036;2.河北省南皮縣供電有限公司，河北 滄州 061500)

接觸網(wǎng)是電力機車獲得電能的通道，它是整個電氣化鐵道供電系統(tǒng)的動脈，所以，有效的接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)在保證鐵路安全運行方面顯得尤為重要。與傳統(tǒng)的接觸式接觸網(wǎng)檢測技術(shù)相比，非接觸式檢測可以在不影響受電弓與接觸線之間受流特性的基礎(chǔ)上，有效提高檢測數(shù)據(jù)的實時性和精確性，乃至整個系統(tǒng)的安全性。將線陣列CCD技術(shù)應(yīng)用于接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)在很大程度上解決了獲取動態(tài)圖像的問題［1-2］，而如何很好的采集態(tài)圖像就變得至關(guān)重要。

以ARM最小系統(tǒng)板為開發(fā)平臺，再移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)在很大程度上可以解決動態(tài)數(shù)據(jù)采集的實時性問題。從硬件和軟件兩個方面，討論了將嵌入式ARM+Linux技術(shù)應(yīng)用于線陣列CCD接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)中采集動態(tài)圖像的問題。

1 基于ARM的嵌入式動態(tài)圖像采集硬件系統(tǒng)

ARM處理器以其先進的體系結(jié)構(gòu)和對操作系統(tǒng)的支持等優(yōu)點在嵌入式技術(shù)中得到了很多應(yīng)用，本文所討論的嵌入式系統(tǒng)也是迎合了其體積小、能耗低、實時性好等特點而設(shè)計完成的。整個檢測系統(tǒng)硬件主要有三個功能模塊組成:高速CCD實現(xiàn)動態(tài)圖像數(shù)字化［3-4］;嵌入式ARM處理器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集;串口實現(xiàn)系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件布局框圖如圖1所示。

1.1 ARM模塊的設(shè)計

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。設(shè)計選用Samsung S3C2440核心板，因為要運行嵌入式操作系統(tǒng)，所以該板選用了大容量的FLASH和SDRAM作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)。CPLD芯片主要用做FLASH和SRAM的邏輯控制。

S3C2440采用外部存儲器和I/O統(tǒng)一編址的方式［5］，將1 G byte的地址空間分為8個大小為128 MB的BANK。采集系統(tǒng)存儲器空間分配如表1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件布局

1.2 CCD攝像機接口

采用TOSHIBA的TCDl209芯片，其驅(qū)動頻率最高可達20 MHZ。ARM微處理器和CCD攝像機接口電路的設(shè)計必須要保證芯片之間在數(shù)據(jù)采集過程中速度匹配，系統(tǒng)采用S3C2440的外部DMA方式對相機輸出數(shù)據(jù)進行采集，同時采用異步FIFO為核心的邏輯電路模塊解決CCD攝相機輸出和采集速度不匹配的問題。相機的輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA中，圖像數(shù)據(jù)在幀同步、行同步和像元時鐘的控制下有序的輸入到FPGA內(nèi)部的異步模塊中，S3C2440通過DMA通道將圖像從FPGA中采出。接口原理圖如圖2所示。

表1 存儲器空間分配

2 基于嵌入式Linux的動態(tài)圖像采集軟件系統(tǒng)

嵌入式Linux系統(tǒng)由于源代碼開放，使得各地的軟件愛好者為其提供了豐富的實用軟件支持，用Linux開發(fā)產(chǎn)品，會使產(chǎn)品成本大大下降。嵌入式Linux系統(tǒng)需要3個基本元素構(gòu)成最小系統(tǒng):系統(tǒng)引導(dǎo)程序，用于完成機器加電后的系統(tǒng)定位引導(dǎo);Linux系統(tǒng)內(nèi)核，為嵌入式系統(tǒng)

提供一個軟件環(huán)境，為應(yīng)用程序完成基本的底層的資源管理工作;初始化程序，完成基本的初始化。為使這個最小嵌入式系統(tǒng)具有一定的實用性，還需加上硬件的驅(qū)動程序以及一個或幾個應(yīng)用進程以提供必要的應(yīng)用功能支持。

2.1 Linux操作系統(tǒng)的移植

采用運行Redhat Linux9.0的PC機，并通過串口與采集系統(tǒng)相連，開發(fā)工具鏈為GNU的跨平臺開發(fā)工具鏈，交叉編譯器是arm－linux－gcc－3.4.1。正如PC機上的硬盤分區(qū)一樣，要使嵌入式Linux正常啟動和運行，必須對flash空間進行細致的規(guī)劃，并且必須具備三部分:Bootloader、kernel和文件系統(tǒng)。Flash具體空間分配如表2所示。

圖2 CCD攝像機接口原理

設(shè)計選用的系統(tǒng)引導(dǎo)程序是韓國mizi公司開發(fā)的Bootloader(vivi)，它適合于ARM9處理器。通過這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立系統(tǒng)的內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。系統(tǒng)選用的內(nèi)核版本為 linux －2.6.14.1，拷貝至目錄 home/arm/dev_home/kernel，解壓內(nèi)核并進入內(nèi)核目錄，修改內(nèi)核目錄樹根下的的Makefile，并用“make menuconfig”命令對系統(tǒng)內(nèi)核進行配置。系統(tǒng)采用Cramfs文件系統(tǒng)和Yaffs文件系統(tǒng)相結(jié)合的方法構(gòu)建一個穩(wěn)定、可靠、可讀寫的文件系統(tǒng)。Yaffs文件系統(tǒng)本身性能優(yōu)越且易于移植，已經(jīng)成功應(yīng)用于多種操作系統(tǒng)中，并且還是一個開放源碼項目，采用該文件系統(tǒng)作為用戶數(shù)據(jù)區(qū)，用于存儲采集到的圖像。

2.2 CCD接口驅(qū)動程序設(shè)計

Linux通過設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一抽象的接口，從而隱藏了大量不同設(shè)備之間的區(qū)別和細節(jié)［6］。在Linux中所有對硬件設(shè)備的操作和通常的文件一樣，利用標準的系統(tǒng)調(diào)用可在設(shè)備上進行打開、關(guān)閉、讀取或?qū)懭氩僮?。系統(tǒng)中的每個設(shè)備由“設(shè)備特殊文件”來代表。在設(shè)計中，驅(qū)動程序初始化顯得尤為關(guān)鍵，在本系統(tǒng)中按照以下步驟進行:①設(shè)置s3c2440輸入輸出口的工作方式。②設(shè)置CCD攝像機接口所映射的BANK4的數(shù)據(jù)寬度為8位。③注冊驅(qū)動程序。

2.3 圖像采集程序

在Linux下可通過調(diào)用read函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其程序流程圖如圖3所示。

表2 Flash空間分配表

3 系統(tǒng)測試與分析

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計必須對其關(guān)鍵部分和系統(tǒng)整體進行測試，才能確定系統(tǒng)性能，進而確定系統(tǒng)設(shè)計是否達到預(yù)期要求［7］。在系統(tǒng)設(shè)計過程中和完成后進行了硬件和軟件的測試，其中關(guān)鍵的相機接口功能測試如下。

(1)相機接口測試。系統(tǒng)測試軟件主要是FPGA的開發(fā)環(huán)境QuatrusII和ARM的集成開發(fā)環(huán)境ADS1.2。相機接口的測試程序設(shè)計由FPGA和ARM程序配合完成。FPGA內(nèi)部通過分頻器和計數(shù)器模塊模擬一個的256×256的CCD相機的輸出信號，然后將模擬的數(shù)字圖像信號和同步信號、像元時鐘送到相機接口的FPGA部分進行采集。

(2)測試結(jié)果。通過上述測試方法對相機接口性能進行了測試，通過邏輯分析儀采集了接口工作時序，如圖4所示。測試結(jié)果表明相機接口符合設(shè)計要求，可以實現(xiàn)對CCD相機的數(shù)據(jù)采集。同時經(jīng)過測量，采集一次數(shù)據(jù)的時間約為220 ns。

4 結(jié)論

由于采用嵌入式ARM+Linux技術(shù)，對CCD相機圖像可以進行實時采集，不僅為下一步的圖像信號處理奠定了很好的基礎(chǔ)，而且提高了系統(tǒng)的測量速度和精度。將該嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)中，由于采集的圖像實時性好，使得檢測系統(tǒng)能夠快速的檢測出接觸網(wǎng)的瞬時拉出值，使得非接觸式高速檢測檢測接觸網(wǎng)成為可能。在試驗室條件下，如果不考慮光線干擾和接觸網(wǎng)振動等因素，測量分辨率可達0.2 mm。

圖3 圖像采集程序流程

圖4 相機接口測試結(jié)果

本嵌入式系統(tǒng)具有良好的移植性，且造價低、使用簡單，所以在功能上可以做進一步的擴展。例如應(yīng)用在本文所討論的線陣列CCD非接觸式接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)中，在嵌入式系統(tǒng)中加上GPRS模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸;也可以配合DSP芯片，在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)圖像識別和處理，檢測出接觸線高度以及瞬間動態(tài)拉出值等參數(shù)，使得產(chǎn)品性能大大加強。

［1］蔡學(xué)敬.基于Onuris線陣列CCD攝像技術(shù)的高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)［J］.軌道交通 ，2007(5):54-55.

［2］董建軍，莫易敏.基于DSP和線陣CCD的接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)［J］.機車電傳動，2006(3):62-63.

［3］鄂永.基于圖像處理的鐵路接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，2009.

［4］張韜.基于圖像處理的接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)研究與改進［J］.鐵道機車車輛，2009，29(1):68-71.

［5］廖日坤.ARM嵌入式應(yīng)用技術(shù)開發(fā)手冊［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［6］馬忠梅，李善平.ARM ＆Linux嵌入式系統(tǒng)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［7］徐海東，陳唐龍，隆超.客運專線接觸網(wǎng)檢測項目及技術(shù)標準研究［J］.電氣技術(shù)，2009(1):38-40.