基于ARM9 和Linux 的转辙机缺口图像检测系统的设计

1、基于Arm9和Linux的转辙机缺口图像检测系统的设计樊文侠 焦正才（西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710032 ）摘 要：(目的)本文以铁路转辙机缺口为研究对象，从系统的总体设计考虑出发，构建了一个基于S3C2440系列ARM9微处理器和嵌入式Linux操作系统的铁路转辙机缺口图像检测系统。（方法）通过图像处理算法对采集的数据进行处理，从而间接获得待测的转辙机缺口的大小。（结论）对实际系统的模拟分析结果表明,此平台能为调度运行人员提供有效的决策支持信息。关键词：转辙机；缺口监测；Linux；Arm91 引言（研究的重要意义）近年来，随着我国经济的快速发展，高铁、城市轻轨以及普通客货运

2、列车的高速发展，列车运行速度越来越快，列车载重量和密度的不断增加，铁路道岔越发成为行车安全的关键。作为保障安全与准点的电务部门的工作压力也越来越大，重要性也越来越突出。对在轨转辙机的检测和维修已经成为铁路系统各个电务段的一项重要的日常工作。解决好道岔问题，对转辙机缺口进行检测，不仅可以使电务故障件数大比例减少，也是提高铁路安全运输可靠性的重要关键手段之一。(前人研究进展)铁路转辙机作为铁路道岔的一种重要的电气信号设备，它是铁路系统轨道转换装置的终端执行机构，其主要作用是完成对铁路道岔的牵引，从而改变铁路道岔的开通方向1-2。它具有转换、闭锁和表示道岔位置三种功能，其对提高铁路运输效率、保证行车

3、安全起着至关重要的作用，道岔转辙机设备的任何失效，都会影响铁路运输的正常秩序，甚至造成严重的后果。这就对道岔转辙机设备的安全、检测、养护维修等提出了更新、更高的要求。因此现在大力开发研制现场适用的转辙机缺口图像检测系统正当其时。(研究的切入点)针对某前诸多现状，本文将采用一种全新的处理方法：运用一种全新的表示杆缺口监测方法数字图像测量法，这种非接触式测量的方法可有效地解决安装及工作的作简简介：樊文侠(1956-),女，西安工业大学教授，主要研究方向为：计算机控制系统、嵌入式系统、智能仪表等。E-mail：Fenwenxia_1163.com 手机讯作者：西安工业大学电

4、信学院机器人实验室 焦正才 1535701786163.com不安全因素的引入问题，而且测量精度高，技术指标稳定，不会因环境温度、湿度或其它因素的变化而影响测量的精度，具有传统电子或机械直测式方法所不能比拟的优势3。2 系统总体方案设计：三星公司的16/32位精简指令集微处理器S3C2440A，以其低功耗和高性能的突出特点，为手持设备和普通应用提供了微控制器的解决方案。其提供了一套完整的通用系统外设，S3C2440A减少整体系统成本和无需配置额外的组件。S3C2440A提供了最大支持4096*4096像素输入和2048*2048像素输入支持缩放的摄像头接口，1通道的LCD专用DMA设备，并且支

5、持NAND FLASH启动引导(BootLoader)。以其这些优势和特点，我们最终选用了三星公司的ARM9 S3C2440A作为主控制器。Linux作为一种UNIX操作系统，它是真正的多用户、多任务、多平台操作系统，具有稳定健壮、低成本、高性能、互操作性和开放源代码等特点。铁路转辙机缺口图像检测要求实时性比较高以及缺口的精度高要求，结合系统要求，最后选取了Linux系统作为本系统设计的操作系统4。在此基础上铁路转辙机缺口检测系统选用QT作为嵌入式图形界面系统，对下位机采集到的转辙机缺口图形进行处理，分析得到转辙机缺口的具体检测值。铁路转辙机缺口检测系统层次框图如图1所示：图图1 铁路转辙机缺

6、口检测系统层次结构图Fig. 1 Railway switch gap detection system hierarchical structure diagram3 转辙机缺口检测系统硬件设计铁路转辙机缺口图像检测系统的硬件系统结构设计如图2所示：主要包括:ARM9 S3C2440微处理器、J-link接口、Nand Flash、Nor Flash、串口和CMOS摄像头接口等部分。转辙机缺口检测系统由主控模块供电，DC5V和DC3.3V，包含了各种电源模块方案来保证对给定任务的最佳功耗。S3C2440其提供了四种模式：NORMAL、SLOW、IDIE、SLEEP。其中最重要的一点，2440

7、支持彩色的TFL-LCD 屏调色显示，无需再外扩接口，可以很方便的使用其LCD接口，并且通过I2C接口模拟LCD控制的SCCB串行接口总线。图2 系统硬件结构框图Fig. 2 Block diagram of hardware system主要设备及参数：中央处理器：Samsung S3C2440A 主频400MHZ外部存储器：64MB SDRAM两颗；256MB Nand Flash ；2MB Nor Flash图像传感器：OV9650 130万像素LCD触摸屏：4.3寸TFT液晶屏，分辨率为480*272调试接口： 一个标准JTAG接口，支持ADS1.2、J-LINK等调试串行接口：一个通

8、用异步收发器(UART)端口电源：5V电源供电或电池供电3.1图像传感器电路设计：图像传感器的选择是本系统设计的核心之一，本文选取了OmniVision公司的OV9650高性能CMOS传感器。主要功能是由图像传感器将转辙机缺口图像信号进行A/D转换和处理。然后将图像数据传输到ARM9处理器的CAMIF单元中。Ov9650图像传感器模块电路设计5。如图3所示：9 图3 摄像头接口电路Fig. 3 the interface circuit of camera3.2 LCD接口设计：S3C2440的LCD控制器支持从位于系统存储器的视频缓冲器中接收图像数据的专用DMA，其支持多种虚拟屏(支持硬件水

9、平/垂直滚动)和2种类型的SEC TFT-LCD屏幕。在实验室环境下，可以在TFT-LCD液晶屏上看到视频，并且可以通过串口在上位机上面显示图像数据。TFT-LCD接口模块电路设计如图4所示：图4 LCD接口电路Fig. 4 the interface circuit of LCD3.3 JTAG调试电路接口设计JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于对芯片内部进行测试、调试和仿真。在ARM9处理器中，可用JTAG直接控制ARM9内部总线，通过I/0端口对程序进行调试。 本系统采用10针的JTAG接口，硬件电路原理图，如图5所示：图5 JTAG电路Fig. 5 JTAG circuit4 转辙

10、机缺口检测软件设计：4.1 Linux操作系统的裁剪与移植：所谓Linux移植，就是针对具体的目标平台对Linux做必要的改写后，安装到该目标平台并使其正确运行的过程。嵌入式Linux系统由三个基本部分组成：系统引导程序，Linux内核（内存管理和程序管理）和初始化进程。但如果要它成为完整的操作系统，还必须加上硬件接口程序、硬件驱动程序和相应的应用程序。4.2 制作文件系统和编写缺口图像采集应用程序上一小节中成功移植了系统引导代码U-BOOT和Linux内核，系统已经可以运行起来，为了完成转辙机缺口检测的特殊功能，需要制作文件系统，并在文件系统中添加图像采集、处理和传输的应用程序。制作文件系统

11、要分四步来做：（1）创建系统的总统目录框架（2）编译制作文件系统工具Busybox（3）往目录框架里增加必要的文件来制作文件系统（4）往文件系统里添加应用程序来完善文件系统4.3 编写转辙机缺口图像采集应用程序在Linux中，设备驱动程序可以看出是Linux内核与外部设备之间的借口，设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现了的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备，可以使用和操作文件相同的系统调用接口函数来完成对硬件设备的打开、关闭、读写及执行和I/O口控制操作。Video4Linux是Linux中关于视频设备的驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供了一系列的接口函数。在嵌入式L

12、inux的内核定制过程中，加入对V4L模块及OV9650设备的支持，运行Linux下的视频图像采集程序，可以通过V4L提供的接口函数API 从OV9650设备中获取图像数据。图像采集程序流程图，如图5所示：4.4 基于QT的转辙机缺口图像处理界面系统设计：Qt是一个用于桌面系统和嵌入式开发的跨平台应用程序框架，Qt让企业无须重新编写源代码，便可以构建运行在不同桌面系统操作系统和嵌入式设备上的软件应用程序。同时选取OpenCV开源软件对下位机采集到的转辙机缺口图像进行处理、分析、运算得到缺口值大小6。5 结论：本文完成了对铁路转辙机缺口图像的实时采集和处理，通过分析，检测得到了转辙机缺口具体大小

13、值，并且与Linux操作系统和QT的完美无缝结合。因此，在应用程序上，我们可以充分利用linux提供给我们的Video 4 linux API函数等强大的组件对转辙机缺口图像进行采集和处理。此外，在硬件上，使用了OV9650 CMOS摄像头与ARM9嵌入式微处理器的直接结合，充分利用了S3C2440的资源优势，不仅降低了系统设计的成本、缩小了系统体积，而且提高了系统的稳定性、灵活性和可靠性。因此，在转辙机缺口检测和缺口图像分析方面具有良好的市场推广价值。参考文献：1 张少夫,张辉程,李乌江 DCQK2B型转辙机表示缺口监测报警系统J. 铁道通信信号，2005, 05:41-05.2 侯录新,李

14、永智,王海瑛 ZQJ-01型转辙机表示缺口光电监测报警系统J. 铁道通信信号，2005, 05:41-05.3 郑霄 .基于图像处理技术的转辙机实时在线监测研究.北京D：北京交通大学硕士学位论文,2009.4 S3C2440A 32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USERS MANUAL Revision 1.pdfOL. Samsung Electronics Co., Ltd.5 沈顺成, 贺毅 电动转辙机的微机检测.铁道通信信号J.2005.01:41-01.6 焦正才，樊文侠 基于Qt/Embedded的MP3音乐播放器的设计与实现J.电子设计工程，2012,07:

15、45-48The Design of SwitchGap Pictures Detection based on Arm9 and LinuxFAN Wen-xia JIAO Zheng-cai ,（Xian Technology University , Xian 710032, China）Abstract:(Objective)The paper discusses the switch gap pictures of railway system and designs a monitor system based on Arm9 and Linux system from the overall design.(Method) Through the images are processed by algorithm, so we indirectly measure the gap si