陈 川，邓成中

(西华大学机械工程与自动化学院，四川成都610039)

在智能消防炮领域，一般选用感温探测、感烟探测、火焰探测、气体探测等作为火灾探测传感器。这些往往都具有灵敏度低、探测速度慢、报警时间迟和反应不灵敏等问题。随着数字图像技术和超大集成电路技术的不断发展发展，模式识别以及机器视觉已经得到了很好的利用且趋向于小型化设计。传统的以计算机为核心的图像型火灾探测设备存在价格昂贵、体积庞大且使用不方便的问题。

为了解决上述智能消防炮设备存在的缺点，笔者设计了一种可对视频图像进行智能识别的多路视频图像采集与监视系统，利用该系统可以实现对8路火灾信号的智能识别，并在识别到那一路有火灾时智能切换该路到显示屏上。该系统基于小型化的设计，无需计算机就可实现对多路火灾的智能识别。

1 系统结构组成

该系统的硬件部分主要包括多路视频图像采集模块、视频输出模块、图像处理识别模块及RS422通信模块。使用该系统只需要接入8路的PAL制式摄像头并将输出接到支持PAL制式的显示设备上即可，图1为该系统的硬件组成框图。该系统中视频输入切换模块、视频采集模块、RS422模块及存储器都由FPGA驱动，图像的处理和识别由DSP来完成。

图1 系统整体组成框图

2 硬件设计

目前，在图像采集领域使用比较广泛的采用形式有FPGA和DSP。FPGA即现场可编程门阵列，具有硬件执行处理，流水线任务处理技术以及并行处理等优点，在处理数据的速度方面占有很大的优势。而且FPGA是基于查找表结构的可编程器件，拥有丰富的寄存器资源，还可以通过系统内的重新配置来改变逻辑功能，使得设计的更新或修改十分便利。该系统采用Xilinx公司7系列的芯片XC7K325T。

DSP具备指令流水线且拥有很高的处理速度，为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础，已经广泛应用于高速自动控制、图像处理、通信技术和仪器仪表等领域。因此本系统在硬件设计中使用一片DSP来对采集的图像数据进行处理。

2.1 多路视频图像采集模块

该系统使用SAA7111A来实现视频采集，该芯片能将模拟视频信号转换为标准的数字视频信号，他能同时支持PAL电视制式和NTSC电视制式。SAA7111A有四个模拟输入端，其任一路经内部A/D转换器后产生数字色度和亮度，考虑到后级DSP的处理速度，本系统只使用其中一路来实现8路视频图像的采集。该芯片遵循标准的BT656协议格式，且在数据输出的同时输出相应的行同步和场同步信号，FPGA根据同步信号来提取采集的视频图像数据。

本设计采用MAX4360来实现多路视频信号的切换，该芯片能实现8X4的信号切换，该系统只使用8X1的设计方法。

多路视频图像采集模块电路图如图2所示。

图2 多路视频图像采集电路

2.2 视频图像输出模块

该系统采用ADV7171用于视频图像的输出，ADV7171是ADI公司开发的一款集成式数字视频编码器，能够将数字CCIR-601 4:2:2的8位或16位分量视频数据转换为与全球标准兼容的标准模拟基带电视信号，本设计采用ADV7171中能输出PAL制式的那一路来作为视频输出。其电路图如下页图3所示。

图3 视频图像输出电路

2.3 图像处理识别模块

该模块采用DSP芯片来完成对数字图像的处理运算，DSP数字信号处理芯片在指令上实现多级流水操作，并采用特殊的数据运算指令快速实现了乘法累加等常用的数字信号处理运算操作，在对数据运算速度和精度上具有非常大的优势。TI公司的C5000系列定位于通信类应用，在保证高性能的情况下，尽量降低芯片的功耗，从而有利于便携式通信产品及其他便携式仪器的推出。

该模块采用TI公司的TMS320C5509来进行图像的处理及识别，其单字长定点指令平均执行速度可达到288MIPS(Million Instructions Per Second)，该芯片的EMIF接口具有很强的接口能力，不仅具有很高的数据吞吐率(最高可达1200M/s)，而且几乎可以与目前的所有类型的存储器直接接口，因此本系统采用EMIF接口与FPGA进行数据的交换。本系统将FPGA作为外部数据存储器设备通过DSP的EMIF接口来实现视频图像的传输并在TMS320C5509上外部扩展了一片SDRAM来作为图像数据的缓存。其电路图如下页图4所示。

图4 TMS320C5509电路图

2.4 RS422通信模块

该系统为方便与设备进行通信，预留了一个RS422的通信接口，该系统使用MAX3490来实现RS232电平到RS422电平的转换。其电路图如图5所示。

图5 RS422接口电路图

3 FPGA逻辑及DSP软件设计

3.1 FPGA的逻辑设计

FPGA的逻辑设计主要通过SAA7111A芯片输出的行同步和场同步信号来提取其遵循的BT656协议中的有效数据并将其存储到DDR2存储器中，该系统采用8路视频信号的输入，因此分时采用8路视频信号后，分别存储到DDR2的不同的空间中，在分时采集完成后将采集的数据传输到DSP外扩的SDRAM中由DSP进行图像的处理，在接收到DSP的识别结果回送信号后选通相应的矩阵开关通道。FPGA还实现按照 BT656协议向ADV7171输出采集的视频图像信号用于显示。其逻辑的框图如下页图6所示。

图6 FPGA内部逻辑图

3.2 DSP软件设计

TMS320C5509中主要作用是向FPGA发送采集指令，并在FPGA分时采集完成后将采集到的数据读取到SDRAM中，再进行图像的处理和识别，当检测到某一路有火焰时，向FPGA发送通道号由FPGA来选通相应的通道实现火焰探测的智能切换。其程序流程图如图7所示。

图7 DSP主程序流程图

火焰检测算法如下所示:

其中R、G、B为RGB模型中的颜色分量，S为HSI颜色模型中的饱和度;RT为R分量的阈值，经实验得到可设定在55～56之间;ST为饱和度的阈值，经实验得到可设定在115～135之间。

4 结论

笔者设计的多视频信号采集处理系统在实际的使用中性能稳定、可靠，具有良好的使用效果。可针对不同用途修改图像处理算法来实现不同的功能，具有移植性高的优点。视频监控技术是当今研究和应用的热点，融合了图像处理、计算机技术、人工智能等多种先进技术，其优势明显且发展潜力巨大。该系统是对现有带监控功能设备的有效开发，具有广阔的市场应用前景。

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