基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置.pdf

第 4 2卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Aut oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 6 J u n ．2 0l 6 ．。 ’ 。。 ’ 经验交流 ◆ ◆ ． ◆ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 ～ 0 0 7 4 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 1 8 周雪， 武方达 ， 杨柳铭． 基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 7 4 7 7 ． 基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置 周 雪 ， 武方达 ， 杨柳铭 中国矿业 大 学 北 京 机 电与 信息 工程 学 院 ， 北 京1 0 0 0 8 3 摘要 针 对煤矿 井下环境 照度低 、 粉 尘 多、 电磁 环境 复 杂 ， 监控 设 备 获取 的 图像 在传 输过 程 中会 受到噪 声 污染 ， 严 重 降低 了监控 图像 质 量等 问题 ， 设计 了一 种基 于嵌 入 式 系统 的 井下监 控 图像 清晰 化装 置 。该装 置利 用 小波阂值 算 法 ， 基 于 DS P嵌入 式 系统 ， 在 有 效抑 制噪 声 的 同 时保 留 了原 始 图像 的 细节 特征 、 尖峰 点 ， 大 大 增 强 了监控 图像 的 清晰度 。 关 键词 煤矿 监控 图像 ；图像 去噪 ；清晰 化装 置 ；小波 阈值 算 法 ； DS P嵌入 式 系统 中图分 类号 TD 7 6 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 6 一 O 1 1 0 3 3 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 3 3 ． 0 1 7 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 2 - 2 1 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 1 2 7 ； 责任 编辑 张强 。 作者简介 周雪 1 9 9 2 一 ， 女 ， 吉林松原人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为检测技术与 自动化装置 ， Ema i l 1 3 5 2 2 0 5 0 1 1 1 1 6 3 ． c o rn。 同负载、 不 同功率因数特性下 UP S并联供电系统 自 恢 复时 间统 计 结 果 ， 当功 率 因 数 C O S 一0 ． 2时 ， 出 现响应时间峰值 ， 即便如此， 该值也仅为 5 ms ， 满足 矿 山设备 动 态备 用供 电 响应 时 间要 求 。 4结语 为 了满 足煤 矿 井 下 恶 劣 环境 对 UP S供 电系 统 可 靠 性 、 自恢 复 性 的 特 殊 要 求 ， 提 出 了 一 种 井 下 UP S并联 供 电 系 统 无 差 拍 环 流 抑 制 方 法 ， 并 基 于 2 3 5 k W UP S并联 供 电系 统实 验样 机 对该 方法 进 行 了验证 与分 析 。实 验 结 果 表 明 ， 该 方 法 具备 优 异 的零 序环 流抑 制效 果 ， 且 仅 需 2 ～ 5 ms即可 实 现井 下 UP S并 联供 电系统 的在线 自恢 复 。 参考文献 [1] [ 2] [ 3] 孙继平． 煤矿监 控新技 术与新 装备 E J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 O 1 5 ， 4 1 1 1 - 5 ． 崔吴辰 ， 李岳 ， 沙成 ， 等． 矿用 UP S中智能充 电系统设 计[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 4 ， 4 6 2 1 9 2 1 ． 李博 ． 煤矿 井下 备 用电 源 网络化 电池 管理 系统 研 究 E J ] ． 自动化 与仪器 仪表 ， 2 0 1 2 6 4 2 4 3 ． r 4] CAO L L，ZHA0 G L，YU F F，e t a 1 ．Re s e a r c h o f mi n e f l a me p r o o f UP S b a s e d o n S C M [ J ] ．C o a l Mi n e Mac hi ne r y，201 4， 3 5 6 2 3卜23 3． [ 5] Y I W M，GAO F ，S UN Q R，e t a 1 ． S t u d y o n e nv e l o pe a na l ys i s of wor ks p ac e ba s e d on 6 UPS p a r a l l e l me c h a n i s m [ J] ． Ap p l i e d Me c h a n i c s M a t e r i a l s，2 01 5，70 3 31 2 - 3 17 ． [ 6] 林新春 ， 段善 旭 ， 康勇 ， 等． 基于 下垂 特性控 制 的无互 联线并联 UP S建模与稳定性 分析 [ J ] ． 中国电机工程 学报 ， 2 0 0 4 ， 2 4 2 3 3 3 8 ． [7 ] 李飞胤 ， 祝龙 记． 基 于 DS P控制 的矿 用 UP S电源设 计[ J ] ． 煤矿机 械 ， 2 0 1 3 ， 3 4 5 1 8 7 1 8 9 ． r 8] LAZ Z ARI N T B，B ARBI I ．DS P Ba s e d c o n t r o l f o r p a r a l l e l i s m o f t h r e e - p h a s e v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r [ J ] ． I E EE Tr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l I n f o r ma t i c s ，2 0 1 3， 9 2 7 4 9 7 5 9 ． [ 9] 何国锋 ， 徐德 鸿． 基 于解耦 控制 的多模 块逆 变器 并联 系统 直 流 环 流 抑 制 策 略 [ J ] ． 中 国 电 机 工 程 学 报 ， 2 0 1 2， 3 2 1 8 4 3 5 1 ． [ 1 O ] 何 国锋． 多 逆变器 并联 系统 若 干关键 问 题研 究 [ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 1 4 ． 2 0 1 6年 第 6期 周雪等 基 于嵌入 式 系统 的 井下监 控 图像 清晰化 装 置 7 5 Un d e r gr ou n d mo n i t o r i n g i ma ge s ha r p e n i ng d e v i c e b a s e d o n e mb e d d e d s ys t e m ZH0U Xue， W U Fa n gd a， YANG Li u m i n g Sc ho ol o f M e c ha ni c a l El e c t r on i c a nd I nf o r ma t i o n Eng i ne e r i ng，Ch i na U n i v e r s i t y o f M i ni ng a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of p r ob l e ms o f l OW i l l u m i n a t i o n． a l o t of dus t a n d c ompl e x e l e c t r oma g ne t i c e n v i r on m e n t i n c o a l mi ne u nd e r gr o un d，a nd i ma ge s “ q u a l i t y c a pt ur e d b y u nde r gr o un d mon i t o r i ng e q ui p m e nt wo ul d b e r e du c e d i n t r a ns f e r r i ng pr o c e s s c a u s e d by u nd e r gr o un d no i s e s ，a n u nd e r gr o un d mon i t o r i ng i m a g e s ha r pe ni n g d e v i c e ba s e d o n e m be dd e d s ys t e m wa s de s i gne d．The de v i c e u s e s wa ve l e t t h r e s h ol d a l g or i t h m a nd DSP e m be dd e d s y s t e m ，a nd i t c a n e f f e c t i v e l y r e s t r a i n n o i s e，me a n whi l e k e e p de t a i l s c ha r a c t e r i s t i c s a nd p e a k po i nt o f o r i gi n a l i ma g e s ，whi c h gr e a t l y e nh a nc e s mo ni t o r i ng i m a ge c l a r i t y． Ke y wo r d sc oa l m i ne mo ni t or i n g i m a g e； i ma ge d e n o i s i n g； s ha r p e ni ng de v i c e； wa v e l e t t hr e s ho l d a l g or i t hm ；DS P e mbe d de d s y s t e m 0 引言 近 年 来 ， 以煤 矿 工 业 电视 系 统 和综 合业 务数 字 网为 代 表 的煤 矿 安全 监测 系统 在煤 矿得 到 了广泛 的 应用 ， 利用该系统工作人员可以在地 面实时掌握井 下设备的运行情况 ， 大大提高 了安全监控水 平。但 由于煤 矿井 下环 境具 有照 度低 、 粉尘 多 、 电磁 环境 复 杂等特点 ， 监控设备获取 的图像在传输过程 中会受 到噪声等污染 ， 严重降低了图像质量_ 1 ] 。为提高监 控 图像 的清 晰度 ， 大 多 采 用 对 图 像 进行 去 噪 的处 理 方法。传统的监控 图像去噪方法有均值滤波 、 中值 滤波 、 同态滤波等 ， 这些方法在实际应用 中都取得了 一 定 的效果 ， 但也 存在 不 足之 处 对 多种 噪声 共 同干 扰的图像去噪效果不理想； 去噪的同时使 图像 的细 节和边缘信息出现模糊的负面效应 ， 导致 图像清 晰 度降低 ， 质量下降。而小波变换去噪方法可 以聚焦 到 信号 的任 意 细节 并 进 行 多 分 辨 率 的 时频 域 分 析 ， 解决了传统滤波器单一尺度去噪所带来 的问题 ， 使 得 噪声 得 到抑制 ， 且 原始 特征 、 尖 峰点 得 到很好 的保 留 。为 此 ， 本 文采 用 小波 阈值 图像 去 噪算法 ， 设 计 了 基 于嵌 入式 系统 的井 下监 控 图像 清晰 化装 置 。 1 小 波 阈值 图像去 噪算 法 监控图像信号与噪声经过不同尺度的分解后反 映出不 同 的激励 和 特 点 ， 小 波 去 噪 的原 理 主 要 基 于 这 一基 础[ 2 ] 。本 文使 用 的小波 阈值 图像 去 噪算 法基 本 步骤 如下 第 1步 选择 适 当 的小 波基 和分 解 尺 度 对原 始 图像 进行 小 波分 解 。 设 为信 号 f ￡ 的离 散采 样数 据 ， 一C 。 则 信号 _厂 的正交小波变换分解公式为 ，， ∑ c 一 ， z l d 一∑ d j -l , n g一 式 中 C m 为 尺 度 系数 ， J为 分 解 层 数 ， 丘一0 ， 1 ， ⋯ ， N一1 ， N为 离 散 采 样 点 数 ； d ， ， 为小 波 系 数 ； 一 2 ； h， g为一对正交镜像滤波器组 。 第 2步 小 波 系 数 阈值 量 化 。通 过 调 用 函数 来 判断是 哪 种 阈值 硬 阈值 还 是 软 阈值 ， 接着 采 用 硬 阈值方法或软阈值方法对小波系数进行处理 ， 从而 得到适用于本图像的对应小波系数。 1 硬阈值是令所有小波系数绝对值小于阈值 的信号点的值为零 ， 大于阈值的点保持不变 。 一 2 软阈值是令所有小波系数绝对值小于阈值 的信号点的值为零 ， 大于阈值 的点变为该 点值 与阈 值 的差 。 ， 一 彳 g n 女 。 。一 耋 茎 c s 式 中 为估计 小 波 系数 ； t 为 预 设 阈值 或 门 限值 s g n * 为 符号 函数 ， 即 f 1 z 0 s g n 1 1 z 0 第 3步 使用 经 过 阈值 处 理 后 的小 波 系 数 进行 小 波重构 ， 就 是将 小 波 系 数进 行 逆 变 换 得 到 重 构 图 像 ， 相应 的小 波重 构公 式为 Cj --1, n 一 ∑ c ∑ d g H 5 2装 置硬 件设 计 基于 嵌入 式系 统 的井下 监控 图像 清 晰化装 置总 7 6 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 体 结构 如 图 1 所示 。 图 1 基 于嵌入式 系统 的井 下监 控图像 清晰化装 置总体结构 1 D S P处 理器 采用DS P芯 片 TMS 3 2 0 D M6 4 2 。TM 3 2 0 D M6 4 2 的 主 要 特 点 3个 可配 置监 控 图 像 口 VP 0 ， VP 1 ， VP 2 最 多可 以 支 持 3路监 控 图 像 数 据采 集 ， 具 有 网 口、 P C I 接 口、 HP I 接 口、 I 。 C接 口、 串行 接 口等 多种接 口。 2 F L AS H 存 储 器 采 用 容 量 为 4 MB的 AM2 9 L V0 3 3 C 一9 0 E F L AS H 芯 片存 储 DS P ／ B I O S 嵌 入式 操作 系统 、 硬件 驱 动程序 ， 以及与 图像 清晰 化 相关的应用程序。 3 S D RAM 存 储 器 是 操 作 系 统 与 正 在 运 行 的应用程序的数据存储介质 。s D RAM 存储器采用 MT4 8 L C 4 M3 2 B 2 7芯 片 ， 其架 构 为 1 0 2 4 3 2 4 ， 每个 b a n k的行 地址 数 目为 1 2 ， 列 地址 数 目为 8 。由 于 TMS 3 2 0 D M6 4 2的数 据线 为 6 4线位 宽 ， 所 以 ， 在 硬件 设计 时选 用 2个 S D RAM 存储 器 。 4 通 信 接 口 扩 展 C AN 通信 模 块 ， 用 于 图像 清 晰 化 装 置 与 主 机 的 数 据 通 信 ， 并 配 置 R S 2 3 2 、 RS 4 8 5或 R S 4 2 2 接 口与 P C机 连接 ， 用 于调试 。 5 视 频解 码器 、 视 频编 码 器 视 频 解码 器 采用 TVP 5 1 5 0 AP B S ， 将 视 频 信 号 采 集 装 置 采 集 的模 拟 视 频信 号转 换 为数 字信 号 ， 并 通过 同步 串行 总 线输 入 到T MS 3 2 O DM6 4 2 中 ；视 频 编 码 器 采 用 S AA7 1 2 1 H， 把 图像清 晰 化 装 置 输 出 的监 控 图像 数 据转换为 P AL ／ NT s c制式的模拟视频信号 。 3装置 软件设 计 基 于嵌入 式 系统 的井 下 监控 图像 清晰化 装 置软 件设计采用 C C S C o d e C o mp o s e r S t u d i o 作为集成 开发环境。C C S是针对 T MS 3 2 0系列 D S P产品设 计 的集 成化 开发 环境[ 3 ] 。 本 装置使 用 D S P ／ B I OS嵌 入 式 操作 系统 ， 它 为 用 户程 序提供 高 效 的资源 管理 功能 。在操 作 系统 的 基 础 上 ， 装 置 的 应 用 程 序 采 用 了 Re f e r e n c e F r a me wo r k 5 RF 5 的 软 件 框 架 。RF 5建 立 在 DS P ／ B I OS和 TMS 3 2 0 DS P Al g o r i t h m S t a n d a r d X DAI S 之上 ， 可提 高程 序的可靠性 和可扩展性 。 装 置 的程序 流程 如 图 2所示 。 l T M s 3 2 o D M 6 4 2 初 始 化I I R F 5 模 块 初 始 化l 监控图像采集和显示驱动设置 I 建立图像去噪算法实例I l D s P ， B I o s 调度程序启动l 阿 固 阿酾 阿 I 墨 塞 塑 壁 l l 丝 望 塞 壁 l l 星 矍 壁 l 图 2 装 置程序流程 本装 置 采 用模 块 化 的理 念来 完 成 软 件设 计 ] 。 整个装置的软件 由初始化 、 监控图像采集 、 监控图像 处理 以及 监控 图像 显示 4 个 模块 组 成 。 监控 图像 采 集 模 块 用 于 捕 获 外 部 视 频 模 拟 信 号 ， 并通过视频编码器将视频模拟信号转换成数字 信号传送给 TMS 3 2 0 D M6 4 2的 VP 0进行处理 。 监控图像处理模块是运用小波阈值去噪算法将 监控 图像采 集 模块 发 送来 的视 频信 号 进 行 去 噪 处 理 。 监 控 图像 显示模 块 用于显 示 经 TMS 3 2 0 DM6 4 2 处理 后 的视 频 图像 。通 过 TM 3 2 0 DM6 4 2的 VP 1 口将 视频信 号 送 给视 频 解 码 器 ， 视 频 解 码 器 将 数 字 信号转换成模拟信号再 由终端显示器显示出来。 监 控 图像 采 集 、 监 控 图像 处理 和 监 控 图像 显 示 为 RF 5框架 中的任务 ， 3个模块之 间的通信 如图 3 所示 。 采集线程消息 辜 发送消息到处理线程} 一 图 3 3 个模块之 间的通信 4结语 针 对煤 矿井 下 图像 的 特 点 ， 基 于 小 波 阈 值 图像 去 噪方 法 ， 设 计 了一种 基 于嵌 入 式 系 统 的井 下 监控 第 4 2卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i n e Aut oma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 6 J un ．2 01 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 7 7 0 3 李军鸿． 矿井 电机车安全防护系统设计E J ] ． DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 1 9 工 矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 7 7 7 9 ． 矿井电机车安全防护系统设计 李军鸿 平顶 山天安煤 业 股份 有 限公 司 八 矿 ， 河南 平 顶 山4 6 7 0 0 0 摘 要 针 对现 有 煤矿 井 下 电机 车 安全控 制 不 能有效 防 止 闯红 灯 、 追尾 和 相撞 的 问题 ， 设 计 了一 种 矿 井 电 机 车安 全 防护 系统 。该 系统 采用射 频 无线 通信技 术 ， 利 用信 集 闭信 号控 制 电机 车安 全运行 ， 实现 了闯红 灯报 警、 车辆距 离提示和超速行驶控制等功能。实际应用表明， 该 系统提 高了电机 车运输的安全性 ， 大幅降低 了 运输 事 故发 生 率。 关 键词 矿 井 电机 车 ； 安 全 防护 ； 无 线 通信 ； 信 集 闭 系统 ；闯红 灯报 警 ；车距控 制 ； 超 速控 制 中图分类 号 T D6 4 文献 标 志码 B 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 6 一 O 1 1 0 3 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 3 4 ． 0 1 8 ． h t ml De s i g n o f s a f e t y p r o t e c t i o n s y s t e m o f mi n e e l e c t r i c l o c o mo t i ve LI J u n h o n g No． 8 Co a l M i ne，Pi n gd i ng s h a n Ti a ffa n Co a l M i ni ng Co．， Lt d． ，Pi n gd i ng s ha n 46 7 0 00 ， Chi na Abs t r a c t I n v i e w o f pr o bl e ms t ha t e x i s t i ng c o a I mi ne e l e c t r i c l o c o mot i v e s a f e t y c on t r oI c a nn ot e f f e c t i ve l y p r e v e n t r e d l i ght r unn i ng，r e a r e nd c o l l i s i on a nd c ol l i s i o n，a ki nd of s a f e t y p r o t e c t i o n s y s t e m o f mi ne e l e c t r i c l o c o mot i ve wa s d e s i gn e d． The s ys t e m a d o pt s r a d i o f r e q u e nc y wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on t e c hn ol og y a nd u s e s s i gn al s of s i g na l ， i nt e g r a t e d a nd bl oc ke d s y s t e m t o c on t r ol s a f e o pe r a t i o n o f t he e l e c t r i c l o c o mo t i v e ，wh i c h r e a l i z e s f u n c t i o n s o f r e d l i g h t a l a r m，v e h i c l e d i s t a n c e p r e s e n t a t i o n a n d o v e r s pe e d c ont r o1 ． The pr a c t i c al a pp l i c a t i o n s ho ws t ha t t he s y s t e m i mpr ov e s s e c ur i t y of e l e c t r i c l o c o m o t i v e t r a ns p o r t a t i o n， a nd gr e a t l y r e d uc e s r a t e o f t r a ns po r t a t i on a c c i de nt s． Ke y wo r d s mi ne e l e c t r i c l oc o m o t i v e； s a f e t y pr o t e c t i o n； wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on 9’ s i gn a l ， i nt e gr a t e d a nd bl o c ke d s y s t e m ；r e d 1 i g ht a l a r m ；ve hi c l e d i s t a nc e c o nt r o l ；o v e r s pe e d c on t r ol 0 引言 平顶 山天 安煤 业 股 份 有 限 公 司八 矿 以下 简 称 平煤 股 份 八 矿 大 巷 全 长 近 2 0 k m， 现 运 行 3 6台 C DX T2 1 2 J型 蓄电池 电机 车 ， 2 4 5台底 卸 式 5 t 矿 车， 8 8 0台 2 t 矿车， 4 5台人车 ， 2 2 0台其他材料设备 车， 井下合计运行 1 4 2 6台各种用途车辆。井下大 巷 原煤 、 矸石 、 材料 、 设 备 、 人 员 运 输 任务 繁 重 ， 电机 车运输 频 次高 ， 管理 难度 大 ， 安全事 故 时有 出现 。虽 然大巷运输采用 了矿井 电机车运输监控系统 ， 但 电 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 2 1 5 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 3 1 0 ； 责任编辑 张强 。 作 者简 介 李 军鸿 1 9 6 8 一 ， 男 ， 河 南鲁 山人， 高级 工程师 ， 现 主要从事煤矿机 电技术管理工作 ， E - ma i l z h h r 1 9 6 8 1 6 3 ． C O rn。 图像 清 晰化装 置 。该 装 置 去 噪 效 果 较 好 ， 在 有 效 抑 制噪 声 的 同时保 留 了原 始 图像 的细 节特 征 、 尖峰 点 ， [ 2 ] 大大增强 了监控图像的清晰度 。 [ 3 ] 参考 文献 [ 1 ] 彭波 ， 王一 鸣． 低 照度 图像 去噪算法的研究 与实现 [ J ] ． [ 4 ] 计算机应用 ， 2 0 0 7 ， 2 7 6 1 4 5 5 1 4 5 7 ． 冉启文． 小 波变换 与分数傅 里叶变换理论 及应用 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工 业大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 彭启 琼 ， 管 庆． D S P集 成开 发 环境 C C S及 DS P ／ B I O S 的原理与应用E M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 雷亚平 ， 沈春林 ， 杨忠． 嵌入式 系统的组成 、 设计 与调试 [ J ] ． 航 空计算术 ， 2 0 0 3 ， 3 3 3 1 1 6 1 1 9 ．