基于SOPC的列車環(huán)境異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：研究一種基于SOPC技術(shù)的列車分布式環(huán)境異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸集成到單片F(xiàn)PGA上，采集和處理部分用硬件描述語言編寫成硬件模塊，作為外設(shè)掛到NiosⅡ系統(tǒng)中，傳輸部分采用以太網(wǎng)接口IP核，構(gòu)建成SOPC系統(tǒng)去實現(xiàn)異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)。同時，用戶可以方便地添加IP核來擴展系統(tǒng)功能。最后，在Altera公司的DE2開發(fā)平臺上進行驗證，達到了設(shè)計的要求。
關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng)(SOPC)；異物侵限；視頻采集；NiosⅡ

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，鐵路客貨運輸量不斷增加，列車運行速度不斷提高，給鐵路安全監(jiān)控帶來巨大的壓力，其中鐵路異物侵限嚴重影響到列車的運行安全。由于列車在露天高速行駛中環(huán)境因素不可預(yù)測，軌道異物侵限可能會給行車安全帶來嚴重后果。軌道異物是指鐵道上影響到正常行車安全的障礙物，如山體滑坡、泥石流塌方等造成的道上沙石、橋梁隧道掉落的懸掛物、因報警失誤仍滯留在道上作業(yè)的工務(wù)人員以及相關(guān)裝備。由于鐵路異物侵限檢測系統(tǒng)的高速度、低漏檢率、低誤報率等要求，使傳統(tǒng)的以軟件為核心的IDS面臨著越來越大的壓力，僅靠模式匹配算法的改進對入侵檢測速度的提高是有限的，不是解決問題的根本策略。
SOPC(System On a Programmable Chip)稱為可編程片上系統(tǒng)，它是一種靈活高效地解決方案，而且設(shè)計周期短，設(shè)計成本低。SOPC Bu-ilder是Altera公司實現(xiàn)SOPC概念的一款工具軟件，用于組建一個在模塊級和組件級定義的系統(tǒng)。SOPC Builder的組件庫包含了從簡單的固定邏輯功能塊到復(fù)雜的、參數(shù)化的、可以動態(tài)生成的子系統(tǒng)等一系列的組件，用戶還可簡單地創(chuàng)建定制的SOPC Builder組件，方便地實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的配置。本文給出一種分布式列車環(huán)境異物入侵的前端監(jiān)測系統(tǒng)，通過在FPGA上構(gòu)建NiosⅡ軟核處理器、各種各樣的外設(shè)和自定義組件等，設(shè)計實現(xiàn)一個定制的SOPC實時監(jiān)測系統(tǒng)，完成對前端視頻數(shù)據(jù)的實時采集和處理，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到列車控制中心。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
本系統(tǒng)采用SOPC實現(xiàn)分布式列車環(huán)境異物入侵前端監(jiān)測功能。一個NiosⅡ處理器系統(tǒng)由NiosⅡCPU和一系列的外設(shè)組成，開發(fā)基于Nios-Ⅱ的嵌入式系統(tǒng)，關(guān)鍵在于如何根據(jù)功能需要定制NiosⅡ及設(shè)計自定義接口。系統(tǒng)采用ADV7l8lB完成模擬視頻解碼處理，完成CVBS等模擬視頻信號到Y(jié)CrCb數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，用硬件描述語言(VHDL)設(shè)計視頻數(shù)據(jù)采集模塊IP核，來實現(xiàn)前端的視頻數(shù)據(jù)采集。由于采集的視頻數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，這給存儲和傳輸都帶來了很大的不便，需要對視頻數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以降低數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)采用VHDL設(shè)計相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)處理模塊IP核。最后把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到列車控制中心，以太網(wǎng)接口模塊用友晶科技提供的太網(wǎng)接口IP。將這些IP核以自定義組件的形成添加到Nios-Ⅱ系統(tǒng)中去，并添加一些必要的存儲器、人機接口和定時器等，構(gòu)建成所需的SOPC系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的框圖如圖l所示。