趙 炯,唐 聰,楊天琳

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

地鐵隧道變形包括隧道的橫向與縱向形變,簡稱隧道整體形變.通過建立一套完善可靠的隧道形變監(jiān)測以及報(bào)警機(jī)制,保證地鐵運(yùn)營環(huán)境的安全.

目前隧道監(jiān)測主要有人工測量和全站儀2種方法,前者主要靠人工實(shí)時(shí)采集各個(gè)分散的變形監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù),最終通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給上層數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行分析處理得到變形曲線,該方法效率較為低下,人為誤差難以控制;后者通過在隧道側(cè)壁上安放多點(diǎn)光源,形成x,y,z三個(gè)方向上的隧道模型,再通過后期處理得到隧道的變形程度分析.但全站儀成本高,不適合普遍運(yùn)用以及遠(yuǎn)距離隧道的監(jiān)測[1].針對(duì)上述2種方法的缺點(diǎn),本文提出將嵌入式Linux技術(shù)運(yùn)用在隧道變形的縱向變形監(jiān)測中,在隧道側(cè)壁上多點(diǎn)安裝嵌入式終端,并利用rs485總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)PC與多從機(jī)之間的控制以及數(shù)據(jù)傳輸,形成了一套可靠有效的監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò).

1 隧道縱向監(jiān)測系統(tǒng)模型

組建嵌入式終端網(wǎng)絡(luò),由分布于隧道各監(jiān)測斷面上的圖像傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成[2].圖像傳感器獲取各斷面上光源圖像并通過圖像處理技術(shù)獲取圓心數(shù)據(jù),并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向站級(jí)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送結(jié)果.站級(jí)監(jiān)測系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后再結(jié)合隧道橫向的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模,評(píng)估整條線路的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)隧道安全預(yù)警及信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布.隧道縱向監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)見圖1.

圖1 隧道縱向監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Tunnel deformation detected network

2 嵌入式終端的硬件組成

嵌入式終端是縱向監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn).基于S3C2440微處理器,板載64 MB大小的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)以及64 MB大小的資料存儲(chǔ)型閃存(Nand Flash),通過分時(shí)復(fù)用,控制2個(gè)ov9650圖像傳感器,分別獲取安裝在隧道前后的光源圖像,編寫Qt界面程序?qū)崿F(xiàn)視頻預(yù)覽以及設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址等其他功能.

Ov9650是OMNIVISION公司推出的一款互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體(CMOS)攝像頭,最大支持1300像素×1028像素(1,336,400像素).其動(dòng)態(tài)圖像分辨率有4倍視頻圖像陣列(SXGA),視頻圖像陣列(VGA),1/4視頻圖像陣列(QVGA)等.

在隧道側(cè)壁上安裝多個(gè)監(jiān)測終端,并配置2個(gè)ov9650攝像頭來獲取隧道前后方向的光源圖像,這種方法主要是為了建立起誤差傳遞以及校正的機(jī)制.由于不需要兩路攝像頭同時(shí)工作,因此它們共用數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線并通過2個(gè)使能引腳GPH9,GPH10實(shí)現(xiàn)攝像頭的切換.

終端擴(kuò)展了800像素×480像素的LCD并編寫Qt程序?qū)崿F(xiàn)交互界面,通過切換攝像頭分別預(yù)覽隧道前后目標(biāo)光源的位置、亮度等是否符合圖像采集的要求,同時(shí)提供設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址的功能實(shí)現(xiàn)串行通信,方便初期的安裝調(diào)試.

S3c2440內(nèi)含Camera Interface接口(簡稱CamIf),ov9650屬于該接口所支持的外設(shè).攝像頭要正常工作,分別需要編寫CamIf和ov9650的驅(qū)動(dòng).

根據(jù)Linux視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模型V4L2編寫CamIf驅(qū)動(dòng),向外設(shè)以及用戶程序提供了接口[3].實(shí)現(xiàn)Preview和Codec 2個(gè)通道以及直接內(nèi)存存取(DMA)傳輸功能,用來對(duì)設(shè)備輸出的視頻流進(jìn)行處理傳輸.切換到P通道,輸出RGB565彩色格式的像素?cái)?shù)據(jù),并在DMA控制器的作用下將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中,Qt界面通過定時(shí)刷新讀取內(nèi)存中的像素?cái)?shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)視頻預(yù)覽;切換到C通道,把圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr4∶2∶2的格式傳輸?shù)絻?nèi)存中,通過提取Y,Cb,Cr等3個(gè)分量并將其轉(zhuǎn)換為RGB格式的BMP位圖格式圖片,經(jīng)圖像處理后得到光源的圓心數(shù)據(jù).

Ov9650驅(qū)動(dòng)主要通過配置寄存器完成一些初始化操作,如輸出的視頻格式、分辨率、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光控制等工作,驅(qū)動(dòng)也可對(duì)OA和OB地址進(jìn)行讀操作,獲取設(shè)備ID作為初始化確認(rèn)信息.通過調(diào)用CamIf驅(qū)動(dòng)提供的接口s3c2440_camif_register_camhw(&ov9650)將自身注冊到CamIf支持的設(shè)備列表中.注冊成功后,CamIf驅(qū)動(dòng)將會(huì)在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建與該設(shè)備對(duì)應(yīng)的video N節(jié)點(diǎn),用戶程序可通過v4l2接口來對(duì)CamIf進(jìn)行設(shè)置,更改輸入視頻格式、通道模式或者窗口大小等[4].程序?qū)崿F(xiàn)如下:

自定義v4l_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),cap_len大小根據(jù)視頻預(yù)覽或圖像采集而定,表示capbuf或者cambuf的像素緩沖區(qū)的長度;v4l2_format是內(nèi)核中定義的結(jié)構(gòu)體,主要是用來設(shè)置CamIf的格式.

v4l2_format結(jié)構(gòu)體中定義1個(gè)枚舉變量,用來表示格式類型,根據(jù)類型確定union聯(lián)合體內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)體.由于只需使用到截取圖像(CAPTURE)這個(gè)功能,設(shè)置類型為V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPT URE,同時(shí)初始化pix結(jié)構(gòu)體變量,該變量內(nèi)部包括像素?cái)?shù)據(jù)的格式以及寬度、高度等.通常定義2個(gè)結(jié)構(gòu)體變量oldfmt以及newfmt,oldfmt用來保存原始的CamIf攝像頭接口格式,定義newfmt用來配置新的攝像頭接口格式.對(duì)CamIf攝像頭接口的操作通過調(diào)用內(nèi)核中V4L2機(jī)制提供的VIDIOC_G_FM T以及VIDIOC_G_FMT命令來實(shí)現(xiàn).操作程序過程如圖2所示.

新格式生效后,再分配像素緩沖區(qū)并對(duì)像素進(jìn)行操作.另外用戶程序可以通過sccb總線對(duì)ov9650進(jìn)行設(shè)置.在隧道壁上安裝調(diào)試多個(gè)嵌入式終端后,需要自定義通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)主機(jī)PC多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的控制與數(shù)據(jù)傳輸功能.

圖2 功能實(shí)現(xiàn)圖Fig.2 Function process on borad

3 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

上面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式終端所需的基本功能,為了實(shí)現(xiàn)隧道縱向的遠(yuǎn)距離監(jiān)測,需要布置多個(gè)節(jié)點(diǎn),多個(gè)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)PC的通信成為了要解決的下一個(gè)問題.因此需組建RS485網(wǎng)絡(luò)以及制定適合需求的串口通信協(xié)議.考慮到隧道監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多以及數(shù)據(jù)量少的特點(diǎn),本協(xié)議參考開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)系統(tǒng)模型,簡化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層.

3.1 物理層模型

考慮到RS485接口優(yōu)良的特性,采用其作為物理層的傳輸媒介并組建網(wǎng)絡(luò)[5].系統(tǒng)選用了MAX3485作為RS485協(xié)議芯片,完成將T TL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能.主機(jī)PC通過RS232轉(zhuǎn)485的接口與通信總線相連,嵌入式終端直接通過擴(kuò)展485接口掛靠總線,拓?fù)鋱D如圖3所示.

圖3 RS485網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 RS485 Network model

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層功能及協(xié)議

該層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯(cuò)的雙向傳輸,基本通信單位是幀,該層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了尋址、沖突檢測機(jī)制、流量控制和差錯(cuò)處理4個(gè)方面的功能.

3.2.1 尋址與流量控制

RS485總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要分配不同的地址,在本協(xié)議中,將地址信息加入幀內(nèi),包括源地址字段和目的地址字段.源地址與目的地址各由2個(gè)字節(jié)組成,并且主機(jī)支持廣播功能,主機(jī)PC地址為0x0000,從機(jī)地址范圍為0x0000～0xFFFE.設(shè)置廣播地址為0xFFFF,當(dāng)主機(jī)PC發(fā)送廣播地址時(shí),從節(jié)點(diǎn)都接收(見圖4).

通信協(xié)議中的流量控制采用停止等待方法,即主機(jī)發(fā)送出一幀后等待從機(jī)的應(yīng)答信息.若在N時(shí)間以及M次重復(fù)發(fā)送后仍沒有等待從機(jī)的信息,則跳過當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼續(xù)與下一節(jié)點(diǎn)通信;若立刻收到應(yīng)答信息,也繼續(xù)向一下節(jié)點(diǎn)通信,保證通信的效率.

3.2.2 沖突檢測機(jī)制和差錯(cuò)檢驗(yàn)

RS485為半雙工結(jié)構(gòu),同一時(shí)刻只能有1個(gè)從節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài),否則將導(dǎo)致總線沖突.通過給每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義1個(gè)唯一的地址以及等待節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完成,消除了串行線路上由于幾個(gè)從節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送引起沖突的可能性.采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)循環(huán)校驗(yàn)對(duì)幀的數(shù)據(jù)段,進(jìn)行計(jì)算得到校驗(yàn)碼,并將其添加在幀中.主機(jī)收到該幀后重新計(jì)算CRC,檢驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)是否正確.

3.2.3 數(shù)據(jù)鏈路層的幀結(jié)構(gòu)

考慮到隧道監(jiān)測要實(shí)現(xiàn)主機(jī)端的控制以及雙向的數(shù)據(jù)傳輸,本協(xié)議定義了以下3種類型的幀:請(qǐng)求幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀.確認(rèn)幀用來應(yīng)答主機(jī),表示正確接收到幀.幀格式如表1所示.

若主機(jī)需要控制從機(jī)發(fā)生動(dòng)作,則發(fā)送請(qǐng)求幀,從機(jī)根據(jù)幀類型做出具體的響應(yīng);若主機(jī)需向嵌入式終端傳遞設(shè)置參數(shù),則發(fā)送數(shù)據(jù)幀,從機(jī)接收到數(shù)據(jù)并確定CRC校驗(yàn)無誤后,根據(jù)幀類型設(shè)置參數(shù).若需實(shí)現(xiàn)其他的控制功能,則可擴(kuò)展幀類型字段,并定義從機(jī)的響應(yīng)行為.

3.3 應(yīng)用層功能

在數(shù)據(jù)鏈路層接收到請(qǐng)求幀以后,根據(jù)幀類型調(diào)用應(yīng)用程序的子程序,包括控制嵌入式終端進(jìn)行視頻截圖以及圖像處理等.子程序處理完后將數(shù)據(jù)返回給鏈路層,組合成幀并通過串口發(fā)送.

圖4 流量控制圖Fig.4 Flow control process

表1 幀格式Tab.1 Frame format

4 主要通信流程

首先,主機(jī)首先建立1張1024項(xiàng)的網(wǎng)絡(luò)表.每一項(xiàng)用來描述該節(jié)點(diǎn)的屬性,包括節(jié)點(diǎn)地址、在線時(shí)間和工作狀態(tài).主機(jī)依次向表中各項(xiàng)發(fā)送請(qǐng)求查詢幀,若在線則更新節(jié)點(diǎn)在線標(biāo)志位.通過一定間隔的掃描實(shí)現(xiàn)從機(jī)表項(xiàng)的添加或者移除.

其次,主機(jī)廣播發(fā)送請(qǐng)求同步幀,該幀以廣播形式發(fā)送,所有的在線節(jié)點(diǎn)均能響應(yīng)該請(qǐng)求.請(qǐng)求同步幀主要是實(shí)現(xiàn)隧道的同步拍攝,得到某一時(shí)刻的光源圖像,并對(duì)該圖像進(jìn)行處理[6],當(dāng)收到主機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀時(shí)再返回?cái)?shù)據(jù).

最后,主機(jī)依次向網(wǎng)絡(luò)表中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀,從機(jī)的數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)了CRC循環(huán)校驗(yàn),主機(jī)收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行CRC校驗(yàn),若二者相等,則向下一表項(xiàng)發(fā)送請(qǐng)求.為了確?？偩€數(shù)據(jù)不沖突,同一時(shí)刻只能向1個(gè)表項(xiàng)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀.主機(jī)端的通信流程圖如圖5所示.

圖5 主機(jī)端通信流程圖Fig.5 Function process on host

5 結(jié)語

嵌入式技術(shù)應(yīng)用在隧道監(jiān)測中有著較強(qiáng)的創(chuàng)新性.通過自定義RS485通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了多種請(qǐng)求幀類型,從而使主機(jī)端更有效地對(duì)嵌入式終端進(jìn)行控制.采用RS485總線以及ARM(Advanced Reduced Instruction set Computer Machines)組成的終端網(wǎng)絡(luò),更加有利于調(diào)試以及管理.整套監(jiān)測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性,其設(shè)計(jì)采用一般的協(xié)議分層模式,實(shí)現(xiàn)了向上接口友好,通過幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靈活的沖突檢測方式可以實(shí)現(xiàn)總線上主機(jī)與節(jié)點(diǎn)的通信,滿足了項(xiàng)目的實(shí)際需求.

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