解立強(qiáng)， 蓋 林

(1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司電氣化公司，北京 100036;2.河北省南皮縣供電有限公司，河北 滄州 061500)

接觸網(wǎng)是電力機(jī)車(chē)獲得電能的通道，它是整個(gè)電氣化鐵道供電系統(tǒng)的動(dòng)脈，所以，有效的接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)在保證鐵路安全運(yùn)行方面顯得尤為重要。與傳統(tǒng)的接觸式接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)相比，非接觸式檢測(cè)可以在不影響受電弓與接觸線之間受流特性的基礎(chǔ)上，有效提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精確性，乃至整個(gè)系統(tǒng)的安全性。將線陣列CCD技術(shù)應(yīng)用于接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)在很大程度上解決了獲取動(dòng)態(tài)圖像的問(wèn)題［1-2］，而如何很好的采集態(tài)圖像就變得至關(guān)重要。

以ARM最小系統(tǒng)板為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，再移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)在很大程度上可以解決動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。從硬件和軟件兩個(gè)方面，討論了將嵌入式ARM+Linux技術(shù)應(yīng)用于線陣列CCD接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中采集動(dòng)態(tài)圖像的問(wèn)題。

1 基于ARM的嵌入式動(dòng)態(tài)圖像采集硬件系統(tǒng)

ARM處理器以其先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)和對(duì)操作系統(tǒng)的支持等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式技術(shù)中得到了很多應(yīng)用，本文所討論的嵌入式系統(tǒng)也是迎合了其體積小、能耗低、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)而設(shè)計(jì)完成的。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要有三個(gè)功能模塊組成:高速CCD實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像數(shù)字化［3-4］;嵌入式ARM處理器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集;串口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件布局框圖如圖1所示。

1.1 ARM模塊的設(shè)計(jì)

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。設(shè)計(jì)選用Samsung S3C2440核心板，因?yàn)橐\(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，所以該板選用了大容量的FLASH和SDRAM作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。CPLD芯片主要用做FLASH和SRAM的邏輯控制。

S3C2440采用外部存儲(chǔ)器和I/O統(tǒng)一編址的方式［5］，將1 G byte的地址空間分為8個(gè)大小為128 MB的BANK。采集系統(tǒng)存儲(chǔ)器空間分配如表1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件布局

1.2 CCD攝像機(jī)接口

采用TOSHIBA的TCDl209芯片，其驅(qū)動(dòng)頻率最高可達(dá)20 MHZ。ARM微處理器和CCD攝像機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)必須要保證芯片之間在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中速度匹配，系統(tǒng)采用S3C2440的外部DMA方式對(duì)相機(jī)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)采用異步FIFO為核心的邏輯電路模塊解決CCD攝相機(jī)輸出和采集速度不匹配的問(wèn)題。相機(jī)的輸出信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA中，圖像數(shù)據(jù)在幀同步、行同步和像元時(shí)鐘的控制下有序的輸入到FPGA內(nèi)部的異步模塊中，S3C2440通過(guò)DMA通道將圖像從FPGA中采出。接口原理圖如圖2所示。

表1 存儲(chǔ)器空間分配

2 基于嵌入式Linux的動(dòng)態(tài)圖像采集軟件系統(tǒng)

嵌入式Linux系統(tǒng)由于源代碼開(kāi)放，使得各地的軟件愛(ài)好者為其提供了豐富的實(shí)用軟件支持，用Linux開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，會(huì)使產(chǎn)品成本大大下降。嵌入式Linux系統(tǒng)需要3個(gè)基本元素構(gòu)成最小系統(tǒng):系統(tǒng)引導(dǎo)程序，用于完成機(jī)器加電后的系統(tǒng)定位引導(dǎo);Linux系統(tǒng)內(nèi)核，為嵌入式系統(tǒng)

提供一個(gè)軟件環(huán)境，為應(yīng)用程序完成基本的底層的資源管理工作;初始化程序，完成基本的初始化。為使這個(gè)最小嵌入式系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性，還需加上硬件的驅(qū)動(dòng)程序以及一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)用進(jìn)程以提供必要的應(yīng)用功能支持。

2.1 Linux操作系統(tǒng)的移植

采用運(yùn)行Redhat Linux9.0的PC機(jī)，并通過(guò)串口與采集系統(tǒng)相連，開(kāi)發(fā)工具鏈為GNU的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具鏈，交叉編譯器是arm－linux－gcc－3.4.1。正如PC機(jī)上的硬盤(pán)分區(qū)一樣，要使嵌入式Linux正常啟動(dòng)和運(yùn)行，必須對(duì)flash空間進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃，并且必須具備三部分:Bootloader、kernel和文件系統(tǒng)。Flash具體空間分配如表2所示。

圖2 CCD攝像機(jī)接口原理

設(shè)計(jì)選用的系統(tǒng)引導(dǎo)程序是韓國(guó)mizi公司開(kāi)發(fā)的Bootloader(vivi)，它適合于ARM9處理器。通過(guò)這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立系統(tǒng)的內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。系統(tǒng)選用的內(nèi)核版本為 linux －2.6.14.1，拷貝至目錄 home/arm/dev_home/kernel，解壓內(nèi)核并進(jìn)入內(nèi)核目錄，修改內(nèi)核目錄樹(shù)根下的的Makefile，并用“make menuconfig”命令對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行配置。系統(tǒng)采用Cramfs文件系統(tǒng)和Yaffs文件系統(tǒng)相結(jié)合的方法構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定、可靠、可讀寫(xiě)的文件系統(tǒng)。Yaffs文件系統(tǒng)本身性能優(yōu)越且易于移植，已經(jīng)成功應(yīng)用于多種操作系統(tǒng)中，并且還是一個(gè)開(kāi)放源碼項(xiàng)目，采用該文件系統(tǒng)作為用戶數(shù)據(jù)區(qū)，用于存儲(chǔ)采集到的圖像。

2.2 CCD接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

Linux通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序提供了統(tǒng)一抽象的接口，從而隱藏了大量不同設(shè)備之間的區(qū)別和細(xì)節(jié)［6］。在Linux中所有對(duì)硬件設(shè)備的操作和通常的文件一樣，利用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用可在設(shè)備上進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、讀取或?qū)懭氩僮?。系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備由“設(shè)備特殊文件”來(lái)代表。在設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)程序初始化顯得尤為關(guān)鍵，在本系統(tǒng)中按照以下步驟進(jìn)行:①設(shè)置s3c2440輸入輸出口的工作方式。②設(shè)置CCD攝像機(jī)接口所映射的BANK4的數(shù)據(jù)寬度為8位。③注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序。

2.3 圖像采集程序

在Linux下可通過(guò)調(diào)用read函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其程序流程圖如圖3所示。

表2 Flash空間分配表

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須對(duì)其關(guān)鍵部分和系統(tǒng)整體進(jìn)行測(cè)試，才能確定系統(tǒng)性能，進(jìn)而確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期要求［7］。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中和完成后進(jìn)行了硬件和軟件的測(cè)試，其中關(guān)鍵的相機(jī)接口功能測(cè)試如下。

(1)相機(jī)接口測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試軟件主要是FPGA的開(kāi)發(fā)環(huán)境QuatrusII和ARM的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ADS1.2。相機(jī)接口的測(cè)試程序設(shè)計(jì)由FPGA和ARM程序配合完成。FPGA內(nèi)部通過(guò)分頻器和計(jì)數(shù)器模塊模擬一個(gè)的256×256的CCD相機(jī)的輸出信號(hào)，然后將模擬的數(shù)字圖像信號(hào)和同步信號(hào)、像元時(shí)鐘送到相機(jī)接口的FPGA部分進(jìn)行采集。

(2)測(cè)試結(jié)果。通過(guò)上述測(cè)試方法對(duì)相機(jī)接口性能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)邏輯分析儀采集了接口工作時(shí)序，如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明相機(jī)接口符合設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD相機(jī)的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)經(jīng)過(guò)測(cè)量，采集一次數(shù)據(jù)的時(shí)間約為220 ns。

4 結(jié)論

由于采用嵌入式ARM+Linux技術(shù)，對(duì)CCD相機(jī)圖像可以進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，不僅為下一步的圖像信號(hào)處理奠定了很好的基礎(chǔ)，而且提高了系統(tǒng)的測(cè)量速度和精度。將該嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于采集的圖像實(shí)時(shí)性好，使得檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速的檢測(cè)出接觸網(wǎng)的瞬時(shí)拉出值，使得非接觸式高速檢測(cè)檢測(cè)接觸網(wǎng)成為可能。在試驗(yàn)室條件下，如果不考慮光線干擾和接觸網(wǎng)振動(dòng)等因素，測(cè)量分辨率可達(dá)0.2 mm。

圖3 圖像采集程序流程

圖4 相機(jī)接口測(cè)試結(jié)果

本嵌入式系統(tǒng)具有良好的移植性，且造價(jià)低、使用簡(jiǎn)單，所以在功能上可以做進(jìn)一步的擴(kuò)展。例如應(yīng)用在本文所討論的線陣列CCD非接觸式接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中，在嵌入式系統(tǒng)中加上GPRS模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸;也可以配合DSP芯片，在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別和處理，檢測(cè)出接觸線高度以及瞬間動(dòng)態(tài)拉出值等參數(shù)，使得產(chǎn)品性能大大加強(qiáng)。

［1］蔡學(xué)敬.基于Onuris線陣列CCD攝像技術(shù)的高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.軌道交通 ，2007(5):54-55.

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［5］廖日坤.ARM嵌入式應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［6］馬忠梅，李善平.ARM ＆Linux嵌入式系統(tǒng)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［7］徐海東，陳唐龍，隆超.客運(yùn)專(zhuān)線接觸網(wǎng)檢測(cè)項(xiàng)目及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.電氣技術(shù)，2009(1):38-40.