基于FPGA的转辙机表示缺口检测模块设计_叶斌.pdf
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1、2023 年 2 月第 59 卷 第 2 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationFebruary 2023Vol.59 No.2基于FPGA的转辙机表示缺口检测模块设计叶斌,杨云国摘 要:为达到道岔转辙机表示缺口间隙自动检测的目的,提出一种基于FPGA的转辙机表示缺口检测模块设计方案。该方案可对转辙机锁闭柱及锁闭杆的缺口图像进行自动裁剪、中值滤波及边缘检测,并通过边缘计算得出锁闭柱落入锁闭杆缺口后的间隙大小。给出了总体原理框图及主要检测算法,并选用OV5640摄像头和基于XC7A35T核心采集处理分机,实现对ZYJ7型转辙机表示缺口的检测。检测
2、结果表明:该检测模块检测速度快、精度高,完全满足现场使用要求。关键词:缺口间隙;现场可编辑逻辑门阵列;中值滤波;边缘检测中图分类号:U216;U284 文献标识码:A Design of Gap Detection System for Switch Machine Based on FPGAYE Bin,YANG YunguoAbstract:In order to achieve the goal of automatic detection of gap indication of switch machine,a design scheme of gap indication dete
3、ction module of switch machine based on FPGA is proposed.Automatic cutting,median filtering and edge detection can be completed for the notch images of the locking column and locking rod of the switch machine,and the gap size after the locking column falls into the notch of the locking rod can be ob
4、tained through edge computing.This paper gives the overall principle block diagram and main detection algorithms,and selects OV5640 camera and XC7a35T core acquisition and processing unit to detect the gap of ZYJ7 switch machine.The detection results show that the detection system designed in this p
5、aper has the characteristics of high speed and high precision,fully meets the requirements of on-site use.Key words:Gap;Field programmable gate array(FPGA);Median filtering;Image edge detection转辙机是道岔转换的驱动设备,转辙机锁闭柱落入锁闭杆后缺口的间隙(宽度)过大或者过小,都会影响转辙机的正常锁闭,从而导致道岔无法转换到位,影响运输安全。因此必须对转辙机表示缺口的变化进行全程的在线检测。目前已经上道使
6、用的转辙机表示缺口检测系统大多是在转辙机内安装图像传感器,将采集到的图像压缩后,通过电力载波传输至机械室内的上位叶斌:上海铁大电信科技股份有限公司 工程师 200070 上海杨云国:上海铁大电信科技股份有限公司 高级工程师 200070 上海基金项目:中国铁路南昌局集团有限公司科研项目(202106)收稿日期:2022-07-19DOI:10.13879/j.issn.1000-7458.2023-02.22254扫码浏览下载23铁道通信信号 2023年第59卷第2期机,采用智能图像处理、数据分析、多特征模板匹配等算法和技术,检测转辙机的表示缺口1。这种方式是将所有传感器采集到的图像都传输到机
7、械室的监测站机进行集中统一计算,对现场通道带宽和监测站机的计算能力要求较高。由于现场通道资源紧张,在转辙机较多且转换频繁的大站,往往会发生数据丢失情况;而站机要完成全部转辙机缺口的图像识别和实时视频的存储、展示,也会造成系统的实时性降低。为此,具备分布式计算能力就成为今后缺口监测技术发展的一个重要方向。现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)具有 block RAM,支持实现流水线运算,可以直接与图像传感器芯片连接,将图像传感器采集到的图像数据流送入内部的block RAM 进行缓存。由于 block RAM 是完全可控的,可实现各种灵活的运
8、算,包括对图像进行实时处理,可以一边流入数据,一边处理数据,无需送入DDR缓存处理2,极大地压缩了从采集到处理的延迟。因此,本文给出了基于 FPGA的转辙机表示缺口检测模块设计 3,采用中值滤波技术和Sobel边缘检测算子等,实现对转辙机表示缺口图像的快速采集和实时图像处理,具有速度快、精度高的特点,且支持实现分布式计算。1模块结构基于 FPGA 的转辙机缺口检测模块由缺口采集单元、缺口图像处理单元、显示单元及通信单元等组成,结构框图见图1。缺口采集单元实时采集转辙机表示缺口的图像,先经过缺口图像处理单元对采集到的图像数据进行处理,包括图像裁剪、图像转换、图像滤波、边缘检测等,识别出锁闭柱及锁
9、闭杆缺口边缘;再计算边缘之间像素差,即可得到缺口间隙大小;最后将处理后的表示缺口间隙值和原始图像数据经通信单元上传给上位机,同时在显示单元显示实时的缺口值。根据转辙机的型号采用不同的安装方式,可在转辙机内获得拍摄到缺口的合适位置。1.1缺口采集单元缺口采集单元负责采集转辙机表示缺口处的图像。图像传感器选用OV5640芯片,其最大感光阵列高达 2 5921 944(约 500 万)像素,能实现VGA分辨率90 fps的图像采集。同时传感器集成了自动曝光控制、自动白平衡等功能,支持LED补光、MIPI 接口和 DVP 接口方式。Artix-7 系列FPGA支持OV5640芯片的驱动,根据现场需求,
10、可支持VGA、XGA及SXGA等分辨率的配置。图像采集单元具备2颗高亮度LED,在图像拍摄时,既可对图像传感器进行补光,也可在人工巡检转辙机时提供照明。1.2缺口图像处理单元缺口图像处理单元基于Artix-7系列FPGA开发,在Vivado平台上开发软件程序,通过Verilog 驱动模块图像数据图像数据上位机通信单元控制命令缺口采集单元缺口图像处理单元数据处理模块显示数据按钮信息网络通信模块电源模块模拟信号CMOS(OV5640)DDR3存储器显示单元图像/视频/命令等数据PLC通信模块图1 检测模块结构24Railway Signalling&Communication Vol.59 No.
11、2 2023HDL语言进行逻辑编码与算法实现,经硬件平台与软件算法的处理后,最终实现对缺口间隙的检测。作为检测模块的核心,该处理单元主要负责驱动控制图像传感器,对采集的图像/录像等数据进行存储、识别分析、数据上传、驱动显示等。具体包括驱动模块、数据处理模块、DDR3存储器及网络通信模块。1.2.1驱动模块驱 动 模 块 负 责 驱 动 CMOS 传 感 器,配 置OV5640摄像头的采集图像分辨率,控制完成传感器的初始化,并对采集图像进行裁剪;将采集到的数据写入DDR3控制器,完成数据的采集与缓存。驱动模块的结构框图见图2。为便于人工查询缺口位置,图片分辨率配置为720576;实际需要检测的区
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