基于DSP和ARM的电气化铁路接触线覆冰监测系统设计_图像_厚度

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（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043）

摘要：为预防打仗线上的冰害事件以及为除冰融冰供应支持，设计了集成视频传输、覆冰厚度丈量、导线温度丈量、现场微气候采集的打仗线覆冰监测系统。
先容了由掌握单元和丈量传感器组成的监测系统构造，简单阐述了微气候传感器的选择、无线导线测温传感器的设计和摄像机电磁屏蔽与防冻设计。
重点描述了基于图像处理的掌握单元的软硬件设计，研究运用DSP与ARM的HPI接口使DSP兼具视频传输与图像处理的功能,ARM通过EPON传输掌握旗子暗记与丈量数据。
利用多阈值下的边缘领悟算法优化了基于模极大值的边缘检测算法，并提出覆冰厚度和冰凌长度的打算方法。

基于DSP和ARM的电气化铁路接触线覆冰监测系统设计_图像_厚度通讯

中图分类号：TM932

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.021

中文引用格式：张学武. 基于DSP和ARM的电气化铁路打仗线覆冰监测系统设计[J].电子技能运用，2016，42(5)：74-77.

英文引用格式：Zhang Xuewu. Design of ice coating monitoring system on contact wires of electrical railways based on DSP and ARM[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：74-77.

0 弁言

随着我国电气化铁路向高寒和偏远地区的延伸，以及恶劣景象的频繁涌现，打仗网覆冰所带来的影响日益凸显。
其紧张危害有：由于打仗线上附着冰壳，导致受电弓无法正常取流；弓网之间由于导电性能降落，产生电弧，瞬时高温会烧伤受电弓和导线；覆冰随意马虎形成冰凌，冰凌刮蹭受电弓，导致受电弓磨耗加剧；覆冰后，由于线密度增大，减小了颠簸传播速率，进而影响弓网受流质量；降落了打仗网的安全可靠性，如风载荷和覆冰值超过设计值，涌现覆冰舞动等征象[1-3]。

因此，须要设置覆冰在线监测系统，通过获取覆冰干系参数，为除冰融冰和预防冰害事件供应技能支持。

1 打仗网覆冰监测系统构造

综合打仗网覆冰的特点和研究现状[3]，本文设计了一款基于ARM掌握传输、DSP图像处理的双核监测系统。
该系统通过视频传输实现了监控职员对现场融覆冰情形的实时监控，并集成了覆冰厚度丈量、现场微气候和导线温度丈量。
全体系统利用铁路沿线的220 V互换电供电，并通过无源光纤接入技能与调度中央的打算机进行实时可靠的通信。
图1为打仗线覆冰监测系统的构造，紧张由丈量传感器和掌握单元构成。

丈量传感器包括导线测温传感器、微气候传感器和CCD摄像机。
为了方便导线测温传感器的放置，采取短间隔无线办法与掌握单元通信。
微气候传感器和摄像机则可通过RS485和同轴电缆与掌握单元相连。

针对掌握单元图像处理哀求高、掌握参数多的特点，选用ARM9处理器S3C2410X和DSP处理器TMS320C6713的双CPU处理办法。
DSP利用流水线处理指令，拥有专用的硬件乘法器，数字旗子暗记处理能力强，但实现任务管理、网络通信等功能较为困难；ARM是功能强大的嵌入式处理器，适宜作掌握芯片，在数据管理、网络通信及多任务处理上表现出色，但在数据处理方面不如DSP快[4]。
结合二者的优点，可以实现采集导线温度和微气候数据、压缩覆冰图像、打算覆冰厚度、实时传输现场视频、通过以太网打包传输数据、下发掌握旗子暗记等功能。

2 丈量传感器的选择和设计

2.1 微气候传感器

微气候传感器包含温湿度和风速风向传感器。
温湿度传感器采取数字温湿度传感器SHTxx，该传感器集成了电容式测湿元件和能隙式测温元件，抗滋扰能力强，体型小巧，可直接安装在掌握单元壳体底部，实现测温测湿；风速风向传感器利用超声波风速风向传感器MK-WT1，其安装在支柱顶端，通过超声波在空气中传播韶光差来丈量风速及风向。
内置的加热装置可以在寒冷下担保正常事情，并采取声波相位补偿以及小雨、浓雾补偿等技能实现较高精度的丈量。

2.2 导线测温传感器

导线测温传感器构造如图2。
感温芯片利用数字式温度传感器DS18B20，每个DS18B20都内置唯一的64位标识号于内部ROM存储器中，可实现多点丈量。
电路板集成了低功耗的MSP430处理器、无线收发芯片nRF401和电源，感温芯片可直接串口接入MSP430实现与掌握单元的短间隔无线通信。
导线温度传感器紧张丈量电连接线夹上的温度，防止融冰时线夹过热涌现故障。

2.3 摄像机

摄像机机芯采取Sony CCD。
针对现场的强电磁滋扰，机芯采取双层屏蔽，外壳利用不锈钢保护防尘防雨，内壳利用导磁性好的纯铁板抗滋扰，增加浪涌和防雷保护功能。
摄像机自身事情在-10 ℃~60 ℃，当低于-10 ℃时，内部感温单元将自动开启镜片及内部加热和空气循环系统。
摄像机安装在打仗网的支柱上，安装于打仗线高度，安装后需调度位置及焦距使其能准确监测到打仗线覆冰情形。

3 掌握单元的硬件设计

掌握单元的硬件设计紧张包括HPI接口、图像处理模块及通信模块。

3.1 HPI接口

利用ARM和DSP双CPU紧张办理两个CPU之间的通信问题。
这里采取HPI通信办法，其硬件接口如图3所示。
HPI接口是DSP专门为主机和DSP相互通信的并行端口。
主机通过HPIA可以指向DSP内外存储单元，并通过HPID读写这些存储单元中的内容。
HCNTL0/1选择要访问的寄存器（掌握寄存器、地址寄存器、数据寄存器），HR/W掌握对该寄存器的读写。
HPI选用S3C2410X的BANK2作为接口地址，片选旗子暗记nGCS2连接HCS。
ARM的读写掌握线连接HDS1/2，HRDY接nWAIT，可以指示HPI寄存器的状态，当忙时，使ARM增加读写的等待周期。
HINT为HPI发给主机的中断旗子暗记。

3.2 图像处理模块

图像处理模块的硬件构造如图4所示。
CCD摄像机输出的覆冰图像为仿照旗子暗记，除了图像旗子暗记外，还包含行同步、行消隐、场同步及场消隐等旗子暗记，因此利用Philips公司专门研制的视频输入处理芯片SAA7111对图像进行A/D转换。
外部掌握器ARM通过I2C总线对SAA7111内部寄存器进行读写掌握，其输出的图像旗子暗记通过FIFO缓存器输入到DSP中，输出的行同步、场同步、时钟参考及奇偶场等旗子暗记通过CPLD掌握FIFO的读写，由FIFO的半满旗子暗记向DSP发出中断申请，实现DSP单帧图像的采集。

3.3 通信模块

系统通过EPON接入以实现与调度中央的通信。
EPON是基于以太网的无源光网络，监测系统只需添加以太网掌握器RTL8019AS芯片和光纤转换器即可接入。
以太网传输层协议包含TCP/IP协议和UDP协议。
调度中央向掌握单元发出的下行掌握利用TCP协议传输，上行视频信息等采取UDP协议，并利用ARQ误码重传机制提高UDP协议的可靠性。

4 掌握单元的软件设计

4.1 HPI软件设计

本系统利用Linux操作系统，在初始化程序hpi_init中，通过调用register_chrdev(major_num,hpi_dev,&hpi_fops)为HPI注册驱动程序，major_num为设备申请的主设备号，hpi_dev为设备名，hpi_fops为struct file_operation数据构造，其浸染是声明设备的入口点函数，包括hpi_open、hpi_release、hpi_read、hpi_write、hpi_mmap等操作。

ARM和DSP通过在DARAM中读写命令包和应答包进行通信，其格式为表1。

ARM发出的命令包分为三类：

(1)ID为0x00的命令包用以判断DSP是否在线，无参数，DSP收到此命令后，在读地址中放入标识号为0x00的应答包，并以中断办法关照ARM读取数据作为应答；

(2)ID为0x01的命令包用以命令DSP以帧为单位进行视频压缩和传输，参数包含图像分辨率等信息。
应答包参数为一帧图像在SDRAM中的起始位和长度，此命令下DSP将连续以中断办法奉告ARM读取一帧数据，形成视频传输，直到其他命令到来；

(3)ID为0x10的命令包用以命令DSP丈量覆冰厚度，并传输一张覆冰图像。
应答包参数包含覆冰厚度（float型）和覆冰图像的起始位、长度。

4.2 覆冰厚度丈量算法

命令包ID为0x01时，DSP以差值编码的办法压缩一帧视频图像，以中断办法编号发送给ARM，接着DSP处理下一帧图像，并重复以长进程，实现视频传送。
当命令包ID为0x10时，DSP首先进行覆冰厚度打算，其次将处理后的覆冰图像压缩为JPEG发送给ARM，即可等待下一步指令。
这里，紧张先容覆冰厚度丈量算法。

利用DSP进行覆冰厚度的打算紧张利用边缘检测算法，在检测之前，首先要对摄像机采集到的图像进行预处理。
预处理的过程为：

(1)图像由彩色图转为灰度图；

(2)多帧图像采集求均匀来滤除非周期性噪声；

(3)采取图像直方图均衡化增强图像比拟度；

(4)利用维纳滤波肃清导线因震撼产生的单方向偏移；

(5)利用中值滤波滤除图像中的伶仃点噪声。

预处理之后，就要对图像进行边缘检测。
采取传统的边缘检测算法时，检测到的边缘每每极为分散，一些透明覆冰无法检测到，如果纯挚减小检测的阈值，又会无法避免一些噪声和无用的边缘。
其余，采取单一阈值无法应对不同环境和覆冰情形。
因此这里利用模极大值边缘检测算法结合多阈值边缘检测来精确定位目标边缘，其紧张思想为利用多个阈值作模极大值边缘检测，从阈值较高的边缘点中搜索8个领域内小阈值下的边缘点进行连接。
其算法步骤为：

(1)对二维高斯函数进行二进小波变换，其x、y方向上变换后的结果为[5]：

式中，x、y为离散值，取值为1~N(N为偶数)。
N过小会使检测的边缘过于分散；N过大不仅会使运算量变大，还会使卷积结果产生行列方向上的偏移。
经由实践选择N为10；s为二进小波的尺度，定义为2m，小波分解尺度过多，一些弱边缘信息会被滤除，选取m=2，可有效滤除高频噪声且保留有用边缘信息。

(2)图像f(x，y)与高斯小波函数在两个方向上的二维小波变换为：

(3)求每一点的模值(式5)和相角的正切值(式6)，沿一个点的8个方向探求模极大值点。

(4)分别定义3个阈值T1=0.4、T2=0.1、T3=0.05（该值反复实践后能较好地实现不同情形下的覆冰检测），探求符合阈值条件的模极大值点，并赋值为1，此时T1、T2、T3中的图像为二值图。

(5)遍历T2中的点，如果该点为1，则将周围8个点赋值为T3中对应坐标的值。
利用T1和T2重复该过程，末了结果保存在T1中。

(6)为了使目标边缘更为平滑，利用各向同性的圆盘形构造元素对T1中的图像进行膨胀堕落添补，末了标出轮廓线。

传统电力线覆冰厚度打算中，利用横向线型构造元素堕落图像中的冰凌，以去除对丈量结果的影响[6]，该方法明显会缩小正常的覆冰厚度，引起偏差。
因此，这里采取的算法为：

在最初安装完摄像机时，对没有覆冰的打仗线进行拍摄，由于打仗线厚度C已知，两边缘之间像素个数为N，则每一像素对应的长度x=C/N；由上到下扫描每一列，探求每列中两个间隔最远的点，打算两点之间的间隔nx(x为列下标)；设定冰凌长度阈值T（统计nx后得出），分别将nx中小于T的部分和大于T的部分相加求均匀，则覆冰厚度为

均匀覆冰厚度的公式为：

5 系统运用

本系统运行后可以不雅观看到由现场传来的视频旗子暗记，连续准确，无卡帧征象。
监测系统得到的边缘图像能够准确反响原图的覆冰情形，边缘为单一像素，连续性好，且没有噪声。
覆冰图像如图5所示，丈量结果如表2所示。

剖析后创造，在风速为4~6 m/s且环境湿度较大时，图像丈量和人工丈量的覆冰厚度有较大出入。
这是由于在该条件下随意马虎形成冰凌，人工丈量选取的丈量点较少，随意马虎忽略冰凌的影响，而图像丈量对每一个位置都进行扫描，丈量值更为有效准确，其覆冰厚度的丈量偏差不大于两个像素间的间隔2x。

6 结论

打仗线覆冰监测系统集成了视频采集、覆冰厚度丈量、导线温度丈量和现场微气候采集，为打仗网巡视供应新的方法：

(1)针对现场特点，对传感器部分均进行分外选型设计，实现恶劣环境以及正常行车下的打仗网覆冰在线监测。

(2)采取3种命令包与应答包的HPI接口通信办法，使ARM和DSP分工协作，担保视频传输速率和繁芜覆冰厚度打算。

(3)针对不同情形下的覆冰边缘，在利用传统的模极大值边缘检测算法后，领悟多阈值下的覆冰图像，提高边缘提取的准确度和连续性；提出了覆冰厚度与冰凌长度的打算公式，填补了传统丈量中只能丈量覆冰厚度的不敷。
该打算方法的偏差不大于两个像素间的间隔2x。

参考文献

[1] 张安洪.雪灾对打仗网覆冰及其影响的磋商[J].电气化铁道，2008(3)：32-33，37.

[2] 汤文斌，刘和云.仿照大气环境下电气化铁路打仗网覆冰实验研究[J].华东电力，2009，37(2)：250-252.