基于TMS320DM6467的機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張 偉，賀德強，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，以及機車運行速度的不斷提高，對機車的安全運行有了更高要求。目前機車狀態(tài)傳輸系統(tǒng)[1]主要涉及機車牽引控制、機車制動控制、機車輔助控制、機車檢測控制等方面內(nèi)容，無法為地面工作人員提供機車運行的相關(guān)視頻數(shù)據(jù)。因此，在機車上運用視頻監(jiān)控系統(tǒng)將是當(dāng)前的一個發(fā)展趨勢，其作用主要體現(xiàn)在：1）本地存儲的視頻數(shù)據(jù)可以為運行過程中的突發(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，可以對機車內(nèi)的工作情況進行實時監(jiān)控，保障機車的安全運行。本文論述了基于DM6467的嵌入式車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合3G技術(shù)，實現(xiàn)對機車設(shè)備間、駕駛室、以及機車前行方向的視頻采集編碼、視頻數(shù)據(jù)本地存儲以及網(wǎng)絡(luò)遠程點播的功能。

1 方案總體結(jié)構(gòu)

機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要涉及多路視頻采集編碼、本地視頻存儲、3G視頻傳輸模塊發(fā)以及嵌入式QT/E控制界面四個部分。其中，多路視頻采集編碼是整個監(jiān)控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。此外，機車視頻監(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，地面客戶端通過有線網(wǎng)絡(luò)以B/S的方式訪問地面服務(wù)器，整體形成“車—地”、“地—車”、“地—地”的立體通信模式，使地面工作人員可以通過視頻對機車環(huán)境進行有效的監(jiān)控。

機車視頻監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機車視頻監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要由DaVinciTM核心模塊、視頻采集模塊、3G無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及系統(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無線模塊，其工作電壓為+3.8V，其中+1.1V和+3.8V由+5V電源通過DC/DC獲得。

圖2 車載視頻監(jiān)控硬件平臺

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32位RISC處理器內(nèi)核，具有500MHz的時鐘頻率，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)部包含一個協(xié)處理器和保護模塊，擁有獨立的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DSP產(chǎn)品，基于第二代高性能增強版本，使用超長指令字（VLIW）架構(gòu)，在1GHz時鐘頻率下可以達到8000MIPS的運算能力，擁有64個32-bit的通用寄存器、8個獨立控制單元，完全具備處理多路視頻編碼的運算能力。

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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其主要特點是采用自動對比度控制與視頻噪聲過濾技術(shù)[3]，可同時采集4通道視頻數(shù)據(jù)，具有優(yōu)異的視頻解碼性能。機車上設(shè)計采用8通道，分別為：設(shè)備間前后2通道，司機室前后2通道，以及機車兩端各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8bit接口使用，擴展出一路TVP5158。因此，本系統(tǒng)設(shè)計使用兩片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)等通過設(shè)置其內(nèi)部寄存器來實現(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 視頻存儲模塊

視頻存儲功能主要是通過ARM端子系統(tǒng)控制。對編碼完畢的視頻，根據(jù)系統(tǒng)配置需要對視頻數(shù)據(jù)進行本地存儲。DM6467片上整合了ATA接口，并通過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，達到3Gbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸?？紤]機車高速行駛中的震動以及電氣設(shè)備間存在磁場干擾，設(shè)計采用2.5寸80GB SSD固態(tài)硬盤作為存儲介質(zhì)。

目前國內(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352×288，一小時錄像占用硬盤大小約為200MB；D1格式的分辨率為720×480，一小時占用硬盤大小約為4倍的CIF格式，即800MB。綜合考慮，系統(tǒng)默認采用CIF格式存儲，可以保證更長的視頻存儲周期。在實際使用過程中可以增加硬盤大小或數(shù)量,使用視頻效果更好的D1格式進行保存。對于超過保存期限的視頻，系統(tǒng)對其自動刪除，該功能通過ARM子系統(tǒng)中軟件控制部分實現(xiàn)。

2.4 3G通信模塊

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

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AT命令對其進行設(shè)置；2）進行PPP網(wǎng)絡(luò)連接，使用腳本方式完成，連接成功后會在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里識別出一個PPP的設(shè)備。

2.5 CAN總線

現(xiàn)有機車上的數(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)有機車信息平臺具有良好的兼容性，本系統(tǒng)擴展一路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，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

系統(tǒng)軟件開發(fā)基于CCS3.3完成[6]，CCS（Code Composer Studio）IDE中集成了強大的DSP開發(fā)工具，并且支持雙核開發(fā)，通過編寫工程文件，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，加載到不同的存儲空間運行。系統(tǒng)基于Codec Engine框架實現(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

本系統(tǒng)的控制部分主要由ARM端實現(xiàn)，設(shè)計使用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)需要對內(nèi)核進行配置和剪裁。文件系統(tǒng)設(shè)計使用支持QT/E的文件系統(tǒng)，因此需要將QT/E庫文件拷貝到相應(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。

圖5 系統(tǒng)控制平臺

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

3.2 Boa Web服務(wù)器

系統(tǒng)具備視頻遠程點播功能，該功能的實現(xiàn)是基于Boa Web服務(wù)器的應(yīng)用。首先在PC機上配置并交叉編譯Boa源碼，然后移植到目標(biāo)系統(tǒng)平臺。當(dāng)?shù)孛婵蛻舳诉x擇查看機車視頻的時候，采用B/S模式向地面服務(wù)器驗證身份，并獲取車載Boa Web服務(wù)器地址，然后根據(jù)用戶等級向車載系統(tǒng)上的Boa Web服務(wù)器發(fā)送查看視頻請求，Boa Web服務(wù)器根據(jù)請求內(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時性的關(guān)鍵因素就是DSP端的運算速率。TMS320C64x+DSP內(nèi)核具有L1/L2的片內(nèi)存儲空間，其中L1分為程序存儲器L1P和數(shù)據(jù)存儲器L1D，其大小都為32KB；L2具有128KB的片內(nèi)存儲空間。在處理數(shù)據(jù)的時候，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)運行速度。另外，本系統(tǒng)是運用在機車上的視頻監(jiān)控，可以通過針對機車運行環(huán)境優(yōu)化H.264編碼算法，達到系統(tǒng)整體性能的提升。

4 結(jié)束語

本文把DaVinciTM技術(shù)應(yīng)用在鐵路交通中，結(jié)合3G技術(shù)，實現(xiàn)了機車視頻監(jiān)控以及遠程點播的功能。設(shè)計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)品開發(fā)更加便捷，減少了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，具有一定市場應(yīng)用價值。通過測試，機車以110km/h速度運行，采集視頻畫面清晰流暢，完全達到了預(yù)期的要求，該技術(shù)在機車上的推廣與應(yīng)用，為其安全運營提供了有效的技術(shù)保障。

[1]章睿,苗劍,賀德強,等.AJAX技術(shù)在機車智能維護系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報: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平臺的H.264編碼與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r實現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,36(7):882-889.