1. Введение - MES conference

АРХИТЕКТУРА УНИФИЦИРОВАННОГО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО
БЛОКА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ФОТОННОЙ СИСТЕМЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ
П.А. Скрылёв, О.С. Смолева
Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, osmoleva@ippm.ru
Введение
Постоянно растущий объем перевозок на железнодорожном транспорте и метрополитене
требует увеличения пропускной способности линий и повышения безопасности движения поездов,
которые, в свою очередь, во многом зависят от состояния рельсовой колеи. Применяемый в
настоящее время контактный метод контроля параметров рельсовой колеи характеризуется большой
трудоемкостью и влиянием человеческого фактора. Возможности таких систем по увеличению
объема обрабатываемой информации и повышению точности проводимых измерений практически
исчерпаны. Отсутствие автоматической обработки результатов не позволяет существующим
системам работать в реальном масштабе времени, а службам пути оперативно реагировать на
изменения в состоянии железнодорожного полотна. Устранить перечисленные недостатки позволят
перспективные системы, базирующиеся на принципиально новых бесконтактных методах измерения
и диагностики. С этой целью для Московского метрополитена разработаны следующие
бесконтактные измерительные подсистемы [1]: бесконтактная фотонная подсистема контроля
состояния рельсовой колеи (БФСМ) обеспечивает измерение высоты и износа ходовых рельсов,
ширины колеи; фотонная подсистема измерения просадок (ФИП) - измерение величины просадок
рельсовых нитей на заданном расстоянии; фотонная подсистема контроля отступления контактного
рельса (ФКР) измеряет пространственное положение контактного рельса относительно ходового и
т.п. [2-4]. Испытания (2004 г.) отдельных подсистем показали их работоспособность и правильное
функционирование. Дальнейшее совершенствование методологии бесконтактных измерений с целью
создания систем, работающих в реальном масштабе времени, потребовало унификации входящих в
систему измерительных блоков. Такие унифицированные фотонные измерительные блоки (УФИБ),
на базе которых будут построены измерительные подсистемы, будут отличаться друг от друга только
заложенной в них программой обработки информации. Сами же УФИБ объединяются вычислительной сетью в единую комплексную систему измерений параметров рельсовой колеи (ЕКСИР).
В структуру УФИБ (рис. 1) входят: лазерный излучатель, который с помощью щелевой
оптики формируют на измеряемом объекте тонкую световую линию; фотоприёмная камера,
воспринимающая сигнал, отраженный от фрагмента объекта с лазерной линией профиля, и
преобразующая выходные сигналы в двоичную форму; УВБ, который восстанавливает искаженное
изображение, преобразуя координаты с помощью аппроксимирующего полинома, и определяет
искомые параметры рельсовой колеи. Бортовой компьютер принимает обработанные данные от УВБ,
по которым формирует протокол измерений.
Каждая из подсистем содержит различное количество пар лазер-камера и один УВБ, который
должен принимать и обрабатывать видео информацию от всех камер, входящих в состав конкретной
подсистемы.
1.
Вагон
Луч лазера
Лазерный
излучатель
Объект
Отраженный
сигнал
Фотоприемная
камера
Унифицированный
вычислительный
блок
Бортовой
компьютер
Рис. 1. Структура УФИБ
Архитектура ЕКСИР
ЕКСИР должна обеспечивать работу всех подсистем (БФСМ, ФИП и ФКР) и формирование
протокола измерений в бортовом компьютере в реальном масштабе времени. При этом, задачи между
унифицированными вычислительными блоками (УВБ) каждой подсистемы и бортовым компьютером
перераспределяются таким образом, чтобы основная часть вычислений приходилась на центральное
процессорное устройство (ЦПУ) в УВБ [5].
2.
285
В выбранной архитектуре ЕКСИР (рис. 2), УВБ выполнены в виде отдельных блоков,
которые подключаются к БК через USB-порт. Если БК не имеет требуемого количества USB-портов,
дополнительные УВБ могут быть подключены к компьютеру через USB концентратор. Камеры
подключаются к каждому УВБ через порты RS485. Пропускная способность USB шины
удовлетворяет потребностям системы в скорости передачи данных.
УВБ
USB
УВБ
БК
УВБ
УВБ
Рис. 2. Архитектура вычислительной сети ЕКСИР
Структурная схема УВБ представлена на рис. 3. Ядром УВБ является центральное
процессорное устройство (ЦПУ), которое обрабатывает данные, поступающие от фотоприемных
камер, и выводит результаты обработки в БК. Входное устройство УВБ - схема приёма данных получает видеосигнал по интерфейсу от камер, преобразует его в требуемую для ЦПУ форму и
передаёт в ЦПУ. В памяти программ (ПП) хранится программное обеспечение, реализующее
преобразование координат и вычисление искомых параметров. Память данных (ПД) используется
для хранения результатов промежуточных расчетов.
При включении питания схемой питания и сброса вырабатывается сигнал,
инициализирующий ЦПУ и ПД. Во время действия сигнала сброса задаются настройки
функционирования ЦПУ. Затем из ПП программное обеспечение загружается в память процессора и
запускается на исполнение. Начальный код этого программного обеспечения инициализирует
интерфейсы процессора и порты ввода-вывода для приема входной информации.
Память данных
Память
программ
Входная
линия
Центральное
процессорное
устройство
Схемы
приема
данных
USB
Схемы питания
и сброса
Рис. 3. Структурная схема УВБ
Основной задачей ЦПУ в УВБ является приём и обработка видео информации от камер и
проведение вычислений по полученным данным в реальном масштабе времени. Информация
поступает на вход УВБ по интерфейсу RS485 и затем через схему приёма данных передается в ЦПУ.
ЦПУ находится в режиме ожидания синхронизирующего сигнала кадра, строки и видео данных,
которыми переводится в режим приёма данных. Входные данные сохраняются в ПД. После приёма
данных одного кадра процессор переходит в режим обработки полученной информации и выдачи
результатов обработки в БК по шине USB и одновременно принимает данные следующего кадра.
Оценка требуемой производительности
3.1.
Центральное процессорное устройство
Одной из наиболее важных и ресурсоемких задач УВБ является преобразование координат
изображения по аппроксимирующему полиному, поэтому для оценки требуемой производительности
необходимо рассчитать временные затраты на эту операцию. Чтобы обеспечить большую точность,
необходимо использовать в математических операциях числа с плавающей запятой.
Для преобразования используется полином 3-го порядка:
3.
3
2
y=a 1 x +a 2 x +a 3 x+a4 ;
где x – координата на искаженном изображении; a1-4 – аппроксимирующие коэффициенты.
286
(1)
Оценим времена выполнения каждой из подпрограмм, необходимых для полной обработки
изображения. Время приёма данных для каждой фотоприемной камеры может быть выражено
следующим образом:
t RCV =t L +t S +t RET ;
(2)
где tRCV – время приёма; tS – время сохранения данных в память; tRET – время возврата из
подпрограммы обработки прерывания; tL – время загрузки данных из внешнего порта ввода-вывода.
На основании (1) время преобразования одной координаты может быть представлено:
n
t CVT
2 t L +t MUL +t ADD +t L t MUL +t S ;
(3)
i=1
где tCVT – время преобразования; tMUL – время умножения двух чисел с плавающей запятой; tADD –
время сложения двух чисел с плавающей запятой; tL – время загрузки данных из памяти; n – порядок
полинома.
Выразим время приёма и преобразования координат в виде количества циклов инструкций x.
Примем, что инструкция выполняется за один цикл ЦПУ, тогда количественно xCVT = tCVT и xRCV =
tRCV. Для учета временных затрат на расчет требуемых параметров подсистем, введем относительный
коэффициент измерения К. Таким образом, на основании (2,3) требуемая производительность
преобразования может быть выражена как:
xPRG = K  NV  N H  N CAM  f CAM xCVT + xRCV  ;
(4)
где xPRG – требуемая производительность в млн. и/c; NV – количество пикселей в фотоприемной
матрице по вертикали; NH – количество пикселей в фотоприемной матрице по горизонтали; NCAM –
количество используемых камер; xCVT – количество инструкций в подпрограмме преобразования;
xRCV – количество инструкций в подпрограмме приёма; fCAM – частота следования кадров к/с; K –
относительный коэффициент измерения.
Получим, что для двух камер формата 500(Г)х582(В) пикселей, с частотой следования кадров
25 кадров/с, с чересстрочной разверткой и относительным коэффициентом измерения К, равным 1,3
требуемая производительность составляет 302,64 млн. инструкций в секунду (млн. и/c).
Таким образом, можно сформулировать требования, предъявляемые к ЦПУ: минимальная
производительность 302.64 млн. и/c, наличие USB шины и двух внутренних таймеров. Кроме этого,
выбранная элементная база должна иметь промышленный температурный диапазон: -40° ─ +85° C,
так как на практике измерения будут проводиться вне помещений.
Был проведен анализ продукции ряда ведущих мировых компаний, таких как Analog Devices,
Texas Instruments и Freescale Semiconductors [6-13], результаты которого представлены в табл. 1.
Цветом выделены характеристики, удовлетворяющие поставленным требованиям.
Табл. 1 показывает, что только характеристики микроконтроллера MCF548x удовлетворяют
требованиям, предъявляемым к ЦПУ по температурному диапазону, производительности, наличию
таймеров и шины USB. Он имеет следующие характеристики: ядро ColdFire V4, работа с
расширенным числом с плавающей запятой, удовлетворяющим стандарту IEEE-754, контроллер
управления памятью DDR SDRAM, контроллер шин USB и PCI. MCF485 способен выполнять
инструкции с частотой 200 МГц и имеет максимальную производительность 308 млн. и/с. Он имеет
четыре контроллера USART, контроллер ПДП, два сетевых интерфейса, 4 внутренних таймера и
порты ввода-вывода.
Таблица 1
Результаты сравнений основных характеристик процессоров
Стандарт
Производительность
работы с
Внутренние Температурный
ЦПУ
(частота),
PCI
USB
плавающей
таймеры
диапазон
млн. и/с(МГц)
запятой
MCF5275
159(166)
v2.0
4
0° to +75°
MCF5407
233(166)
-
-
-
2
0° to +75°
MCF547x
410(266)
v2.2
IEEE-754
v2.0
4
0° to +75°
MCF548x
308(200)
v2.2
IEEE-754
v2.0
4
-40° to +85°
MPC8280
855(450)
v2.2
IEEE-754
v2.0
1
0° to +75°
TMS320C6713
2400(300)
-
IEEE-754
-
2
-40° to +85°
TMS320VC5509
200(200)
-
-
v2.0
2
-40° to +85°
ADSP-BF535
350(350)
v2.2
-
v1.1
4
-40° to +85°
287
3.2.
Память данных
К объему ПД можно сформулировать следующие требования. ЦПУ обрабатывает
информацию о двух кадрах изображения одновременно. Каждый кадр сохраняется в ПД в виде
двумерного массива значений координат, который определяется размерностью фотоприёмной
области камеры. Таким образом, необходимый объём памяти в байтах для хранения этой информации
может быть рассчитан по формуле:
S MEM 2 N E N V N H ;
(5)
где SMEM – требуемый объем ПД в байтах, NE – размер одного элемента массива в байтах.
Так как процессор использует числа с плавающей запятой одинарной точности, размер
памяти в байтах для хранения одного элемента составляет 4 байта. Рассчитанный по (5) объем памяти
составляет 2,4 Мб. Так как процессор использует динамическую память типа DDR SDRAM, и
минимальный объём памяти микросхем этого типа составляет 32 Мб, то этого объема достаточно для
обработки всей поступающей информации.
3.3.
Схема приёма данных
Для корректной обработки входной информации задержка распространения сигналов в
программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) не должна превышать 26 нс, а время
переключения вентилей ПЛИС не должно превышать 4 нс. Этим условиям удовлетворяют многие
современные ПЛИС. Исходя из более низкой стоимости, была выбрана ПЛИС компании Altera 
EPM3032ATI-4.
Заключение
В работе решена задача практического проектирования вычислительной сети для единой
комплексной системы измерений параметров рельсовой колеи, строящейся на базе унифицированных
вычислительных блоков и функционирующей в реальном времени. Выбрана архитектура сети
ЕКСИР, удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к системе измерений. Сформулированы
задачи, которые должны быть решены в ЕКСИР. Произведено распределение данных задач между
УФИБ и БК. Определены основные функциональные узлы и разработана структурная схема УВБ. На
основании расчета требуемой производительности УВБ произведен выбор элементной базы из
промышленных образцов.
4.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
В.Н. Жильцов, Е.Т. Мосин. Устройство и содержание пути Московского метрополитена.
Трансжелдориздат, 1960. – 296 с.
Смолева О.С. Шилин В.А. Бесконтактные оптоэлектронные измерительные системы // Мир
транспорта. - 2003. - № 2.
R.B. Ryabichenko, S.V. Popov, O.S. Smoleva, CCD photonic system for rail track measurement, Proc.
SPIE, 1999. - V. 3901, - P. 37-44.
V.S. Giltsov, V.G. Inozenmtsev, S.V. Popov, V.A. Shilin, E.V. Titov, Complex photonic system for
underground railway measurements and inspection, Proc. SPIE. - 2001. - V. 4761. - P. 56-63.
Скрылев П.А., Смолева О.С. Вычислительный блок для обработки изображения в измерительной
системе // Сборник трудов н-т конференции "Электроника, микро- и наноэлектроника". –
М.:МИФИ, 2004.
MCF548x Integrated Microprocessor Hardware Specifications, Motorola, Literature Number:
MCF5485EC/D Rev. 1.2, 3/2004.
MCF547x Integrated Microprocessor Hardware Specifications, Motorola, Literature Number:
MCF5475EC/D Rev. 1.2, 3/2004.
MCF5407 Integrated Microprocessor User's Manual, Motorola, Literature Number: MCF5407 UM/D
Rev. 0.1, 11/2001.
MCF5275 Integrated Microprocessor Family Hardware Specifications, Motorola, Literature Number:
MCF5275EC/D Rev. 0, 4/2004.
MPC8280 PowerQUICC II Family Hardware Specifications, Motorola, Literature Number:
MPC8280EC Rev. 1.0, 2/2004.
TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual, Texas Instruments Incorporated,
Literature Number: SPRS205B, November, 2002, Revised December, 2003.
TMS320C6713, TMS320C6713B Floating-point digital signal processors, Texas Instruments
Incorporated, Literature Number: SPRS186I, December, 2001, revised May, 2004.
Blackfin Embedded Processor ADSP-BF535 Data Sheet, Analog Devices, MCF5407 UM/D Rev. 0.1,
11/2001.
288