基于SOPC的列車環境異物入侵監測系統研究

摘要：研究一種基于SOPC技術的列車分布式環境異物入侵監測系統，系統將視頻數據的采集、處理與傳輸集成到單片FPGA上，采集和處理部分用硬件描述語言編寫成硬件模塊，作為外設掛到NiosⅡ系統中，傳輸部分采用以太網接口IP核，構建成SOPC系統去實現異物入侵監測系統。同時，用戶可以方便地添加IP核來擴展系統功能。最后，在Altera公司的DE2開發平臺上進行驗證，達到了設計的要求。
關鍵詞：可編程片上系統(SOPC)；異物侵限；視頻采集；NiosⅡ

隨著我國經濟社會的快速發展，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境因素不可預測，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的工務人員以及相關裝備。由于鐵路異物侵限檢測系統的高速度、低漏檢率、低誤報率等要求，使傳統的以軟件為核心的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，它是一種靈活高效地解決方案，而且設計周期短，設計成本低。SOPC Bu-ilder是Altera公司實現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。SOPC Builder的組件庫包含了從簡單的固定邏輯功能塊到復雜的、參數化的、可以動態生成的子系統等一系列的組件，用戶還可簡單地創建定制的SOPC Builder組件，方便地實現各種系統功能的配置。本文給出一種分布式列車環境異物入侵的前端監測系統，通過在FPGA上構建NiosⅡ軟核處理器、各種各樣的外設和自定義組件等，設計實現一個定制的SOPC實時監測系統，完成對前端視頻數據的實時采集和處理，并通過網絡將數據傳送到列車控制中心。

1 系統整體架構
本系統采用SOPC實現分布式列車環境異物入侵前端監測功能。一個NiosⅡ處理器系統由NiosⅡCPU和一系列的外設組成，開發基于Nios-Ⅱ的嵌入式系統，關鍵在于如何根據功能需要定制NiosⅡ及設計自定義接口。系統采用ADV7l8lB完成模擬視頻解碼處理，完成CVBS等模擬視頻信號到YCrCb數字信號的轉換，用硬件描述語言(VHDL)設計視頻數據采集模塊IP核，來實現前端的視頻數據采集。由于采集的視頻數據是海量數據，這給存儲和傳輸都帶來了很大的不便，需要對視頻數據進行預處理，以降低數據量，系統采用VHDL設計相應的視頻數據處理模塊IP核。最后把數據通過網絡傳送到列車控制中心，以太網接口模塊用友晶科技提供的太網接口IP。將這些IP核以自定義組件的形成添加到Nios-Ⅱ系統中去，并添加一些必要的存儲器、人機接口和定時器等，構建成所需的SOPC系統，整個系統的框圖如圖l所示。