基于TMS320DM6467的機車視頻監控系統設計

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 機械工程學院，南寧 530004）

0 引言

隨著鐵路交通的大力發展，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。目前機車狀態傳輸系統[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容，無法為地面工作人員提供機車運行的相關視頻數據。因此，在機車上運用視頻監控系統將是當前的一個發展趨勢，其作用主要體現在：1）本地存儲的視頻數據可以為運行過程中的突發事件提供相關數據參考；2）結合3G技術的使用，可以對機車內的工作情況進行實時監控，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控系統，并結合3G技術，實現對機車設備間、駕駛室、以及機車前行方向的視頻采集編碼、視頻數據本地存儲以及網絡遠程點播的功能。

1 方案總體結構

機車視頻監控系統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控系統的重要環節。此外，機車視頻監控系統利用3G技術，與地面服務器建立網絡連接，地面客戶端通過有線網絡以B/S的方式訪問地面服務器，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境進行有效的監控。

機車視頻監控總體結構如圖1所示。

圖1 機車視頻監控總體結構

2 系統硬件設計

機車視頻監控系統硬件主要由DaVinciTM核心模塊、視頻采集模塊、3G無線通信模塊、數據存儲模塊以及系統總線等幾部分構成。

系統主要硬件組成如圖2所示。

系統設計輸入電源為+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 車載視頻監控硬件平臺

2.1 DaVinciTM核心模塊

系統的核心硬件選用TMS320DM6467[2]，其充分利用了TI公司的DaVinci?技術，是一款具備高速數字媒體處理能力的新一代嵌入式設備，它集成了高性能的TMS320C64x + DSP內核和ARM926EJ-S內核，支持高清視頻/影像協處理器 (HD-VICP)、視頻數據轉換引擎以及目標視頻端口接口。

其中，ARM926EJ-S是一個32位RISC處理器內核，具有500MHz的時鐘頻率，執行32位或16位指令，處理32位、16位或8位數據。其內部包含一個協處理器和保護模塊，擁有獨立的16K字節的指令緩存以及8K字節的高速數據緩存。

TMS320C64x+DSP是TMS320C6000 DSP系列中性能最高的定點DSP產品，基于第二代高性能增強版本，使用超長指令字（VLIW）架構，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換為數字信號。其主要特點是采用自動對比度控制與視頻噪聲過濾技術[3]，可同時采集4通道視頻數據，具有優異的視頻解碼性能。機車上設計采用8通道，分別為：設備間前后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。根據視頻采集系統需求，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，本系統設計使用兩片TVP5158用于處理攝像頭采集數據的轉換工作，數據處理完畢后產生的并行數字信號以BT656碼流格式輸出，并從DM6467視頻端接口（VPIF）流入。TVP5158的工作方式、采集狀態等通過設置其內部寄存器來實現，寄存器的配置由I2C總線完成。

視頻采集模塊結構如圖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端子系統控制。對編碼完畢的視頻，根據系統配置需要對視頻數據進行本地存儲。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兩者間的數據高速轉換，達到3Gbps的雙向數據傳輸。考慮機車高速行駛中的震動以及電氣設備間存在磁場干擾，設計采用2.5寸80GB SSD固態硬盤作為存儲介質。

目前國內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，系統對其自動刪除，該功能通過ARM子系統中軟件控制部分實現。

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，使用標準AT指令和HUAWEI擴展AT指令集。該產品正常工作環境溫度為-30℃至+70℃，完全滿足機車在各種惡劣環境下的工作要求。D6467通過USB總線與MC703模塊進行通信和控制，處理器為USB主設備，模塊為USB從設備，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內核并加載設備驅動初始化模塊，通過AT指令對模塊進行控制。

3G模塊的初始化流程為：1）系統將其USB端口映射為串口形式，并通過AT命令對其進行設置；2）進行PPP網絡連接，使用腳本方式完成，連接成功后會在系統網絡里識別出一個PPP的設備。

2.5 CAN總線

現有機車上的數據傳輸部分采用CAN總線方式，為了使視頻監控系統與現有機車信息平臺具有良好的兼容性，本系統擴展一路CAN接口，使用MCP2510 CAN總線控制器和TJA1050收發器。

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℃，完全符合工業環境要求。TJA1050 是控制器區域網絡(CAN)協議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發器。

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收發器使用，支持CAN2.0B協議標準，電路如圖4所示。

圖4 MC703、MCP2510接口原理圖

3 系統軟件設計

系統軟件開發基于CCS3.3完成[6]，CCS（Code Composer Studio）IDE中集成了強大的DSP開發工具，并且支持雙核開發，通過編寫工程文件，分別生成DSP端子系統下和ARM端子系統下的.out執行文件，加載到不同的存儲空間運行。系統基于Codec Engine框架實現H.264編碼器[7]，完成系統的視頻編碼。

3.1 QT/E系統控制平臺

本系統的控制部分主要由ARM端實現，設計使用Linux嵌入式操作系統，根據需要對內核進行配置和剪裁。文件系統設計使用支持QT/E的文件系統，因此需要將QT/E庫文件拷貝到相應的文件系統目錄下，將生成的.bin文件移植到目標平臺。

圖5 系統控制平臺

QT/E是一款應用于嵌入式的圖形界面開發平臺，其優點是可移植性好。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計出來的應用軟件，在相互移植過程中，只需要在相應的環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。本系統設計使用QT/E作為系統的控制界面，主要是對外設的管理以及參數的設置，其實際效果如圖5所示。

3.2 Boa Web服務器

系統具備視頻遠程點播功能，該功能的實現是基于Boa Web服務器的應用。首先在PC機上配置并交叉編譯Boa源碼，然后移植到目標系統平臺。當地面客戶端選擇查看機車視頻的時候，采用B/S模式向地面服務器驗證身份，并獲取車載Boa Web服務器地址，然后根據用戶等級向車載系統上的Boa Web服務器發送查看視頻請求，Boa Web服務器根據請求內容發出相應的響應。

3.3 系統優化

系統數據處理中，保證視頻編碼的同步以及實時性的關鍵因素就是DSP端的運算速率。TMS320C64x+DSP內核具有L1/L2的片內存儲空間，其中L1分為程序存儲器L1P和數據存儲器L1D，其大小都為32KB；L2具有128KB的片內存儲空間。在處理數據的時候，應當將使用頻繁的數據或指令保存在片內cache上，提高L1/L2命中率，從而提高系統運行速度。另外，本系統是運用在機車上的視頻監控，可以通過針對機車運行環境優化H.264編碼算法，達到系統整體性能的提升。

4 結束語

本文把DaVinciTM技術應用在鐵路交通中，結合3G技術，實現了機車視頻監控以及遠程點播的功能。設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雙內核，使產品開發更加便捷，減少了開發周期，降低了開發成本，具有一定市場應用價值。通過測試，機車以110km/h速度運行，采集視頻畫面清晰流暢，完全達到了預期的要求，該技術在機車上的推廣與應用，為其安全運營提供了有效的技術保障。

[1]章睿,苗劍,賀德強,等.AJAX技術在機車智能維護系統中的應用[J].廣西大學學報:自然科學版,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 原理與應用指南[M].南京:東南大學出版社,2008.

[7]卓力,等.基于DSP平臺的H.264編碼與網絡傳輸的實時實現[J].北京工業大學學報,2010,36(7):882-889.