列车车载嵌入式监控系统的设计与实现

摘  要： 通过分析车载监控系统的功能，设计了系统的结构，以Hi3512为主控芯片，以嵌入式Linux为操作系统，完成了车载嵌入式监控系统的硬件和软件设计。经一年多的实际运行测试，该系统稳定可靠，各项指标均已经达到设计要求。
关键词： 嵌入式；列车车载监控系统；Hi3512主控芯片；TAX
       在嵌入式车载监控终端的应用中，设备运行稳定可靠、监控视频压缩率和分辨率及多种功能可根据需要定制等性能指标，已成该领域关键的应用需求。但已有的解决方案存在如下不足：(1)按照视频服务器来设计[1]，只能点播回放而不能做进一步的数据分析；(2)设备主要目的是用于定位移动设备的位置，而对视频和信息数据的处理不够详细[2]；(3)作为通用型的设计[3]，并不适应特定的环境。本文针对列车使用的特定环境及以上方案的不足，设计了适应列车特点的可定制、可分析监控数据的列车专用型监控系统。
     本系统使用的主控芯片为Hi3512，是深圳华为海思半导体有限公司推出的第二代嵌入式高性能通信多媒体处理芯片，其硬件支持H.264和MJPEG等多种协议[4]，可广泛应用于实时视频通信、数字图像监控、网络摄像机等领域。
1 列车车载监控的总体结构
     车载监控主要用于汽车，列车使用相对较少，主要原因在于列车上的电源系统差异较大，同时列车对车载产品的安全等级要求较高，需要经过相关部门的严格检验才能使用。
     本文设计的嵌入式列车车载监控系统由嵌入式列车车载录像机和PC端录像回放分析系统两部分组成。由于列车存在移动距离远、行驶地点偏僻等特点，使得实时监控并不适用于列车。同时考虑到列车的运行时间较长，因此选择较低成本较大容量的硬盘作为监控录像存储介质。列车运行到站后，将硬盘取下到PC端做回放分析。
     PC端回放分析软件不仅要回放音视频监控画面，更重要的是要取出混合于视频中的机车号、机车速度、机车位置、车重、计长等信息数据和各种报警信息。这些信息数据和报警信息是通过串口从机车安全信息综合监控装置（TAX箱）采集进监控系统，然后与音视频文件一起混合打包，最后在PC端分离，做进一步分析。通常的机车TAX箱上能够监控到机车运行状况的各种信息，并且可以实时显示出来，但是并不能保存下来。而通过本系统，就可以在回放视频监控画面的同时，回放机车运行的一切操作信息，对分析监控机车的运行状况，有非常重要的作用。
     本文设计的列车车载监控系统，可以同时录制4路视频，其中有2路视频用于监控机车主要部件的运行状况，传输至驾驶舱进行实时显示，并同时写入录像文件中；另2路视频监控并记录驾驶员的操作，以预防操作失误。这样一个文件就能全面监控列车的运行信息、机器状况、驾驶员操作、现场环境状况等各种信息，为列车的运行提供了安全保障，可以满足分析潜在隐患、查找分析事故原因等多种功能要求。
2 嵌入式车载系统的硬件设计
     主控芯片采用华为海思的Hi3512，该芯片是基于H.264 BP算法的视频压缩芯片，采用ARM9+DSP+硬件加速引擎多核的高度集成的SoC架构，具备强大的视频处理能力。片内具有独立的16 KB的指令cache和16 KB的数据cache，内置MMU。内嵌的DSP内核具有3个ALU，8级流水线设计，支持MPEG-4 AVC/H.264等协议。
     整机硬件框图如图1所示，系统采集到的模拟视频信号和模拟音频信号，经过A/D转换后送入Hi3512芯片中的DSP进行压缩；同时又将采集到的数字信号进行合成， 经D/A转换后送入驾驶舱实时显示。车次号、机车号、机车速度、机车位置、车重、计长等信息数据和各种警报信息等TAX箱数据，通过RS485传入主控芯片，与压缩好的音视频数据一起混合打包和存储。
   
       本系统的转换器采用Techwell公司的TW2835，该芯片可以同时支持4路模拟音频输入，4路模拟视频输入，1路模拟音频输出，2路模拟视频输出。Flash用于存储机内嵌入式Linux操作系统和应用程序等相关文件。DDR2作为程序运行内存使用。SATA接口与硬盘连接，用于存储录像文件。RS232接口用于调试机内软件。网络接口用于下载机内软件。USB接口可以升级机内软件，也可以用于存储或导出录像文件。
     列车上的电源为110 V直流电源。由于列车上的用电设备多，电路复杂，因此，列车上的用电设备对可靠性、稳定性等要求很高，需要经过相关部门专业检测才能使用。本系统电源部分电路可以适应输入电压在60 V～130 V之间的变化，峰值可过滤300 V，稳定输出为12 V且已经通过相关部门的检测。图2是车载监控系统电源部分的电路。
   
   3 嵌入式车载系统的软件设计
     该嵌入式列车车载监控系统采用嵌入式Linux系统[5]，海思公司针对Hi3512芯片，提供了一个Linux的软件开发包(SDK)。SDK中包括基于U-boot1.1.4开发的Bootloader和基于标准Linux内核2.6.14移植的Linux内核文件，以及基于busybox 1.1.2版本制作的根文件系统，也包含了一些常用的Linux命令。用户程序开发库则依赖于glibc 2.3.4版本。同时还提供了音视频开发工程的函数库，利用这些函数库，用户可以比较容易地直接使用硬件资源，以快速开发充分利用芯片性能的用户应用程序。
     本系统的应用程序用来完成控制视频的采集、压缩、存储等功能。应用软件采用模块化设计，分为VI（VideoInput）、AI（AudioInput）、VIU（VideoInsertUserdate）等几个模块，当需要时可加载运行。
     主控芯片硬件支持H.264编码和解码，并且具有基于H.264视频压缩的一系列优点[6]，本系统选择H.264视频编解码处理视频。音频部分采用8 kHz采样率、16 bit精度的ADPCM(Adaptive Differential Pulse Modulation)编码。
     视频、音频、信息数据分别按照各自规则压缩编码、添加时间戳，最后混合打包成一个文件。此文件可以在监控机上回放，也可以在PC端做进一步分析。
     图3为音视频采集复合软件模块流程图，图4为用户数据插入软件模块流程图。