一种数字视频信号检测系统的制作方法

本发明涉及信号检测技术领域，特别涉及一种数字视频信号检测系统。

背景技术：

在大型光电设备的系统集成过程中，电磁干扰是必须面对的问题，而且对每个分系统或者功能模块做电磁兼容实验费用高昂，研制成本难以令人接受。而对于光电设备中的数字视频信号，由于信号的电压幅度比较低，尤其容易受到其他系统的干扰，从而导致工作不稳定。cameralink数字视频信号一种流行流行的工业视频信号接口标准，该标准的base模式可以传输高达255mb/s数据带宽，因而应用广泛。cameralink接口为标准是以lvds电平传输视频数据，lvds是一种低电压差分信号电平标准，有一定抗工模干扰能力，但是在系统集成过程中，由于布线、接地和强电磁干扰环境等方面的影响，还是会出现一定的问题。干扰源的分析与追朔应该首先检测数字视频信号的质量，然后通过分析推断干扰的来源，寻求解决的方法。

对于数字视频信号，一般的检测方法是通过示波器查看或通过视频采集卡采集到上位机查看，由于大型光电设备往往存在伺服系统，整体处于运动状态，而且视频传输过程中干扰等情况可能是偶然发生，人工的方法不可能长时间可靠地持续测量，因此这种实时存储，事后分析的方式是可行而有效的检测方式。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种数字视频信号检测系统。所述数字视频信号检测系统包括：

视频与特征参数采集功能单元，用于对数字视频信号及相应特征参数进行实时采集并组建和传输待存储的数据帧；

数据存储记录功能单元，用于对所述视频与特征参数采集功能单元传输的数据帧进行存储记录；

上位机显示与分析功能单元，用于显示所述数据存储记录功能单元中存储的视频图像，并给出数字视频的特征参数的统计值，以图形的方式显示，实现数字视频信号的定量检测。

在一些实施例中，所述视频与特征参数采集功能单元包括：fpga、视频数据解码芯片、sdram和pci接口芯片；

所述数字视频信号通过所述视频数据解码芯片进行解码后接入所述fpga进行实时采集，

所述fpga将视频数据与特征参数的数据帧通过sdram缓存并通过所述pci接口芯片与所述数据存储记录功能单元连接。

在一些实施例中，所述fpga将数字视频数据叠加入相应的帧头与帧尾与特征参数信息组成一个待存储的数据帧经pci总线传输给所述数据存储记录功能单元。

在一些实施例中，所述数据存储记录功能单元包括：powerpc，sdram，sata接口芯片、以太网接口芯片以及外围ssd；

所述powerpc将接收到的数据帧暂存于外部扩展的sdram中，如果接到录制指令，则将sdram中缓存的数据帧通过sata接口控制器存储到ssd中，完成对数据帧的存储。

在一些实施例中，所述缓存的数据帧包括图像数据和数字视频的控制信号的时间特征信息。

在一些实施例中，所述上位机显示与分析功能单元包括带有太网接口的上位机以及与所述上位机连接的以太网控制器；

所述以太网控制器与所述数据存储记录功能单元连接。

在一些实施例中，所述上位机显示与分析功能单元包括带有太网接口的上位机以及与所述上位机连接的以太网控制器；

所述以太网控制器与所述数据存储记录功能单元连接；

记录在ssd中的图像数据，通过以太网接口下载到上位机的磁盘中，实现图像播放；

记录在ssd中的数字视频特征参数经上位机解析，给出数字视频的特征参数的统计值，并以图形的方式显示，定量表明数字视频信号的质量。

在一些实施例中，所述实现图像播放的步骤如下：

在指定位置检查当前帧数据帧头；

如果帧头正确，则读取指定位置的图像数据并显示；

如果帧头不正确，依次向下查找直到找到正确帧头，之后到指定位置查找帧尾，直到判定帧头帧尾都正确，则表明将当前帧图像数据正确；

到指定位置查找特征数据的头标志，找到后，将特征数据写入单独的磁盘文件中；

将相邻两帧的帧同步下降沿时间值相减，即可得到视频信号的帧周期参数，将所述帧周期参数写入到磁盘文件中；

将所述磁盘文件导入excel软件中，通过excel软件的统计图形方式显示所述数据。

在一些实施例中，所述视频数据解码芯片采用cameralink格式转换芯片，将数字视频转换成为并行格式的数字视频信号接入到fpga中。

在一些实施例中，所述图像数据由像素时钟同步，所述视频控制信号包括：行方向控制信号和列方向的控制信号。

本发明的技术效果：本发明公开的数字视频信号检测系统，通过对数字视频信号和相关控制信号以及特征参数的实时记录、事后分析的方式，定量检测数字视频信号质量，为分析信号传输错误的可能原因提供数据支持。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的数字视频信号检测系统的功能单元框图；

图2是根据本发明一个实施例的数字视频信号检测系统的结构框图

图3是根据本发明一个实施例的数字视频信号时序图；

图4是根据本发明一个实施例的数字视频信号检测系统的图像播放流程图；

图5是根据本发明一个实施例的实验过程中数字视频帧周期参数统计图；

图6是根据本发明一个实施例的实验过程中数字视频触发控制信号与帧同步信号异常图；

图7是根据本发明一个实施例的实验过程中数字视频触发控制信号与帧同步信号异常图；

图8是根据本发明一个实施例的实验过程中数字视频帧同步信号受尖峰脉冲干扰时间特征图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图1和图2所示，本发明实施例提供了一种数字视频信号检测系统100。所述数字视频信号检测系统100包括：视频与特征参数采集功能单元1，数据存储记录功能单元2，以及上位机显示与分析功能单元3。

所述视频与特征参数采集功能单元1，用于对数字视频信号及相应特征参数进行实时采集并组建和传输待存储的数据帧；

所述数据存储记录功能单元2，用于对所述视频与特征参数采集功能单元1传输的数据帧进行存储记录；

所述上位机显示与分析功能单元3，用于显示所述数据存储记录功能单元2中存储的视频图像，并给出数字视频的特征参数的统计值，以图形的方式显示，实现数字视频信号的定量检测。

在一些实施例中，所述视频与特征参数采集功能单元1包括：fpga、视频数据解码芯片、sdram和pci接口芯片；所述数字视频信号通过所述视频数据解码芯片进行解码后接入所述fpga进行实时采集，所述fpga将视频数据与特征参数的数据帧通过sdram缓存并通过所述pci接口芯片与所述数据存储记录功能单元2连接。

在一些实施例中，所述fpga将数字视频数据叠加入相应的帧头与帧尾与特征参数信息组成一个待存储的数据帧经pci总线传输给所述数据存储记录功能单元2。

在一些实施例中，所述数据存储记录功能单元2包括：powerpc、sdram、sata接口芯片、以太网接口芯片以及外围ssd；所述powerpc将接收到的数据帧暂存于外部扩展的sdram中，如果接到录制指令，则将sdram中缓存的数据帧通过sata接口控制器存储到ssd中，完成对数据帧的存储。

在一些实施例中，所述缓存的数据帧包括图像数据和数字视频的控制信号的时间特征信息。

在一些实施例中，所述上位机显示与分析功能单元3包括带有太网接口的上位机以及与所述上位机连接的以太网控制器；

所述以太网控制器与所述数据存储记录功能单元2连接。

在一些实施例中，所述上位机显示与分析功能单元3包括带有太网接口的上位机以及与所述上位机连接的以太网控制器；

所述以太网控制器与所述数据存储记录功能单元2连接；

记录在ssd中的图像数据，通过以太网接口下载到上位机的磁盘中，实现图像播放；

记录在ssd中的数字视频特征数据经上位机解析，给出数字视频的特征参数的统计值，并以图形的方式显示，定量检测数字视频信号的质量。

在一些实施例中，所述实现图像播放的步骤如下：

在指定位置检查当前帧数据帧头；

如果帧头正确，则读取指定位置的图像数据并显示；

如果帧头不正确，依次向下查找直到找到正确帧头，之后到指定位置查找帧尾，直到判定帧头帧尾都正确，则表明将当前帧图像数据正确；

到指定位置查找特征数据的头标志，找到后，将特征数据写入单独的磁盘文件中；

将相邻两帧的帧同步下降沿时间值相减，即可得到视频信号的帧周期参数，将所述帧周期参数写入到磁盘文件中；

将所述磁盘文件导入excel软件中，通过excel软件的统计图形方式显示所述数据。

在一些实施例中，所述视频数据解码芯片采用cameralink格式转换芯片，将数字视频转换成为并行格式的数字视频信号接入到fpga中。

在一些实施例中，所述图像数据由像素时钟同步，所述视频控制信号包括：行方向控制信号和列方向的控制信号。

本发明的技术效果：本发明公开的数字视频信号检测系统100，通过对数字视频信号和相关控制信号以及特征参数的实时记录、事后分析的方式实现数字视频信号的定量检测，为分析信号传输错误的可能原因提供数据支持。

本发明是检测数字视频信号传输质量的系统，特别针对大型光电系统设备集成过程中，数字视频信号数据传输过程中可能存在各种干扰因素，由于偶发而且不便测量，因此发明这种现场记录，事后分析的系统，用于数字视频信号的质量检测和故障分析。系统由设置在一块印制板上的fpga、powerpc、sdram、ssd、flash、sata接口控制器、以太网接口芯片、pci接口芯片、电源管理等芯片和上位机及相关软件组成。检测系统在线记录视频和相关控制信号及特征参数，事后通过网络接口下载到上位机，通过视频播放器可以单帧查看；记录的控制信号和相关的特征参数等信息可以通过图形的方式直观查看。由此完成对数字视频图像的检测。本系统结构功能划分明确、适用性强、便于操作，而且检测结果可靠直观，可以长期保存。

下面结合具体实施例对本发明的具体方案作进一步详细的说明。

实施例1：

参考图2至图8所示，本发明实施例提供了一种数字视频信号检测系统100。本发明实施例提供的数字视频信号检测系统100的数字视频检测系统的信号采集和记录部分是由设置在一块印制板上的若干电子元器件组成，主要包括：现场可编程门阵列(fpga)、嵌入式cpu(powerpc)、固态盘(ssd)、闪存(flash)、同步动态存储器(sdram)等。另外上位机和相关软件主要完成数据的事后分析和处理。系统按照功能可以划分为视频与特征参数采集功能单元1、数据存储记录功能单元2和上位机显示与分析功能单元3。其中，视频与特征参数采集功能单元1和数据记录与存储功能单元2作为一个相对独立的嵌入式系统集成到一块电路板上，安装到金属盒内，便于安装使用。

视频与特征参数采集功能单元1：以fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)及其外围扩展芯片组成，主要包括fpga、视频解码芯片、sdram(synchronousdynamicrandomaccessmemory，同步动态随机存储器)pci(peripheralcomponentinterconnect，外设部件互连标准)接口芯片。主要功能是完成数字视频信号的采集和待存储数据帧的组建与传输等功能。

数据存储记录功能单元2：以powerpc(精简指令集架构的中央处理器)和其外围接口芯片组成，主要完成数据帧的存储。powerpc外围扩展sdram、sata接口控制器、以太网接口芯片。sata接口控制器与外围ssd(solid-statedrive，固态盘)相连，可以将数据帧存储到ssd中。

上位机显示与分析功能单元3：通过带有太网接口上位机运行视频播放和分析软件，软件播放视频图像，同时给出数字视频的特征参数的统计值，并以图形的方式显示，可以方便、直观、定量地检验数字视频信号的质量。

本发明实施例的数字视频信号检测系统100的工作原理如下：

以fpga为核心的采集模块将数字视频数据叠加入相应的帧头与帧尾与视频参数信息组成一个待存储的数据帧，经pci总线传输给powerpc。以fpga内部的100mhz时钟为基准，在内部生成32bits位宽的计数器，作为检测系统的相对内部时间，时间分辨率为10ns。powerpc将接收到的pci总线数据帧暂存于外部扩展的sdram中，如果接到录制指令，则将sdram中缓存的数据帧(包括图像数据和数字视频的控制信号的时间特征信息)通过sata接口控制器存储到ssd中，完成对数据帧的存储。记录在ssd中的数据帧，通过以太网接口下载上位机中，通过播放软件实现连续播放或者手动单帧播放。数据帧中的数字视频特征数据经分析软软件解析，形成文本文档，适当处理后在excel表格中打开，利用excel软件的统计功能以图形方式显示，可以一目了然地看到每个数据帧的时间误差和异常的数据帧，据此可以分析数字视频信号受到干扰的部位，进而采取针对性的措施。

参照图2，是本发明实施例的数字视频信号检测系统100，由设置在一块印制板上的以下电子元器件组成：现场可编程门阵列(fpga)、视频格式转换芯片(ds90cr288)、powerpc、flash、sdram、ssd等芯片组成。印制板安装在金属盒体内部。这种嵌入式的检测系统体积小、便于固定，可以随着待测系统运动，实现在线记录。

fpga采用xilinx公司的virtex系列的xc5vlx50芯片。该芯片内部资源丰富，具有7200个slices(每个slices包括4个查找表和4个dff资源)、12dcm、6pll、1,728kbits片上集成blockram以及硬件乘法器等资源。视频数据解码芯片采用格式转换芯片ds90cr288，将cameralink数字视频转换成为并行格式的数字视频信号接入到fpga中。

powerpc采用amcc公司的一款嵌入式处理器ppc460ex，该芯片具有600mhz～1.2ghz工作主频和丰富的外围设备接口，本发明利用powerpc的ddr2sdram、rs232、ethernetport、pciexpress、pci2.3等外围接口与其他外设交互数据。pci2.3总线工作在66mhz频率32bit模式下，可以提供264mb/s的数据带宽。powerpc的pcie总线通过芯片sii3132(pciexpresstoserialatacontroller)外接两块ssd(固态盘)组成raid0工作模式。

fpga程序设计说明：本发明的数字视频与特征参数采集软件主要是由现场可编程门阵列(fpga)实现。fpga的结构特点适合信号的并行处理。图3是典型的数字视频时序图，数字视频图像数据是由像素时钟(pclk)同步的，有相应行同步控制信号(lval)，和帧同步控制信号(fval)，和触发相机曝光的触发信号(trig)。数字视频工作在相机输出的时钟频率域下，需要将其转化为fpga内部时钟域，fpga通过fifo(先进先出)功能单元实现这种异步时钟域的转化。在fpga内部实现如图3所示数字视频控制信号的时间特征参数采集电路，将采集到的控制信号(fval、lval、trig)的下降沿的时间参数信息叠加到数字图像帧的末尾，用不同的32位数据常量作为区别不同特征参数标志。数字视频的控制信号的时间特征信息，用于计算数字视频信号的帧周期和行周期。图像数据和视频控制信号特征参数以及各种标志位一同组成了待存储的数据帧。

powerpc程序设计说明：powerpc上电启动首先进行自检，检测系统硬件，由外部flash导入系统和应用程序。应用程序不停地将pci接口接收到的数据帧缓存在sdram中，如果接收到rs232串口录制指令，则在ssd上创建文件夹，将并将sdram中的数据存储到ssd中，直到接收的停止录制的命令。

上位机软件程序设计说明：上位机软件流程图如图4所示。数据存储记录功能单元就完成数据录制之后，需要上位机播放软件进行图像播放。软件首先在指定位置检查当前帧数据帧头。如果帧头正确，则读取指定位置的图像数据显示，如果帧头不正确，依次向下查找直到找到正确帧头，之后到指定位置查找帧尾，直到判定帧头帧尾都正确，则表明将当前帧图像数据正确。之后到指定位置查找特征数据的头标志，找到后，将特征数据写入单独的磁盘文件中，将相邻两帧地帧同步下降沿时间值相减，即可得到视频信号的帧周期参数，同样将这个参数写入到磁盘文件中。最后将该文件导入excel软件中，通过excel软件的统计图形方式显示。

测试实验

将集成了视频与特征参数采集功能单元与数据存储记录功能单元的检测系统临时附着于待测的光电设备上，连接好线缆(包括+12v供电、cameralink视频线缆、rs232通讯接口)。待测设备上电运行后，通过rs232串口发送启动采集记录的命令。数字视频检测系统采集待测的视频信号和视频信号的特征参数组成相应格式的数值帧并将其存储在ssd中。根据需要运行一段时间，向检测系统发送结束采集记录的指令，然后连接上位机与数据存储记录功能单元的网路接口，上位机系统将采集记录系统的作为的一个网络设备访问，可以将ssd内的数据文件下载上位机本地磁盘中。上位机安装了视频播放与分析软件，通过软件播放记录的图像数据，单帧细致地观察图像。上位机的分析软件则提取特征参数信息创建新的文本文件，利用excel软件统计视频特征量的时间参数，通过图形的方式显示。

图5显示了数字视频的fval信号变化情况，图中表明帧周期在39.96ms～40.03ms的范围波动。在多数系统中这个范围可以认为是正常情况。

图6和图7显示的情况是由于相机触发信号(trig)延迟导致视频信号帧周期的异常。在第347个时间周期trig信号的间隔变为47.17ms，影响到帧同步(fval)的第348个周期也随之变为47.17ms，此现象说明摄像机的外触发信号工作不正常。可以通过检查相机的外触发信号源是否正常来排除故障。

图8所示情况是fval信号周期内出现尖峰脉冲，发生的位置在第5011个时间周期的28.75ms处，该干扰脉冲的脉冲已经影响了数字视频信号fval的准确性，会给后续的图像采集和处理带来不利影响，因此需要检查系统的布线、接地以及屏蔽措施等。

通过以上三个试验的数据表明，数字视频信号的检测系统可以有效地检测数字视频的信号质量，对大型光电系统集成测试提供一种有效视频信号检测方式。

本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。