一种LVDS数字视频故障自动检测系统及其实现方法与流程

本发明涉及lvds信号的故障自动检测技术，具体地说是一种lvds数字视频故障自动检测系统及其实现方法。

背景技术：

目前数字视频处理系统中的视频接口形式主要有以下三种，分别是：模拟视频接口、并行数字视频接口、差分串行数字视频接口。模拟视频接口传输的视频信号一般分辨率较低、画面质量不高，并且在传输过程中易受外界的电磁干扰；并行数字视频接口在进行远距离、高速率视频数据传输时则会存在传输链路复杂、成本高和信号串扰等突出问题；而基于差分串行技术的数字视频接口因其结构简单、抗干扰能力强和成本低等优点，已成为目前数字视频处理系统中最为常用的视频接口形式。

lvds(lowvoltagedifferentialsignaling)是一种低压差分信号技术，它是由美国国家半导体公司1994年提出的一种低功耗、快速的数据传输解决方案，较其他差分串行技术而言，lvds不仅有较高的数据传输率，而且功耗低、噪声低。因此，基于lvds技术的数字视频传输接口目前已被广泛应用在数字视频处理系统中。但是，它也存在一些缺点，首先，lvds传输的都是高速差分串行数字信号，它对信号的传输链路(包括电路板、接插件、线缆)要求较高，需要严格控制各部分传输链路的特性阻抗，确保阻抗匹配良好且保持连续，如果其中有一项的阻抗不匹配或不连续，就可能在传输过程中产生误码；其次，由于它传输的都是高速差分串行数字信号，当接收端解码后的数字视频出现异常时很难对传输信号进行直观的观测，这给问题的分析定位带来不便；另外，现有的大部分数字视频处理系统对lvds数字视频出现故障时的响应能力不足，一旦lvds数字视频出现故障，则整个系统将不能正常工作，无法对故障状态进行记录，降低了故障排查的效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种lvds数字视频故障自动检测系统及其实现方法，解决了数字视频处理系统对lvds数字视频出现故障时的响应能力不足的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种lvds数字视频故障自动检测系统，包括：

故障自动检测模块，所述故障自动检测模块包括视频同步模块、故障检测模块、主控模块、视频生成模块和通讯模块；其中所述通讯单元一端连接主控单元，另一端连接上位机或微处理器，所述主控模块连接视频生成模块、视频同步模块和故障检测模块，视频同步模块连接故障检测模块；在内部测试时，通讯单元接收上位机或微处理器的故障检测指令，发送到主控单元，主控模块发送使能信号给视频生成模块，使能视频生成模块输出并行数字视频给lvds发送模块，视频同步模块接收并行数字视频，并发送给故障检测模块；在正常工作时，视频同步模块接收外部输入的并行数字视频，并发送给故障检测模块；

lvds发送模块，包括第一lvds交叉点开关和lvds并串编码器，所述lvds并串编码器根据主控模块的使能信号，分别将视频生成模块输出的并行数字视频或同步化处理后的外部输入的并行数字视频进行并串编码得到lvds串行数据流信号，并输出给第一lvds交叉点开关；所述第一lvds交叉点开关根据主控模块配置的工作模式，将其输入端的lvds串行数据流信号进行复制，输出两路一样的lvds信号，其中一路输出给lvds接收模块的第二lvds交叉点开关；

lvds接收模块，包括第二lvds交叉点开关和lvds串并解码器，所述lvds串并解码器根据主控模块的使能信号，对第二lvds交叉点开关输出的lvds串行数据流信号进行解码，得到并行数字视频，发送给故障自动检测模块。

所述视频同步模块包括锁相环pll、先进先出队列fifo和若干d触发器，所述若干d触发器形成三行d触发器阵列，每一行的若干个d触发器首尾顺次相连，每一行的最后一个d触发器的输出端连接先进先出队列fifo，所述先进先出队列fifo连接锁相环pll，用于将输入到故障自动检测模块的并行数字视频进行同步化处理。

所述将输入到故障自动检测模块的数字视频进行同步化处理包括：

将lvds串并解码器解码得到的并行数字视频中的时钟信号作为每个d触发器的控制时钟，将并行数字视频中的行标识信号、场标识信号和视频数据作为每一行d触发器的输入进行锁存，输出锁存后的行标识信号和场标识信号给先进先出队列fifo作为先进先出队列fifo的写使能信号，由输入的时钟信号作为fifo的写时钟信号将锁存后的视频数据写入先进先出队列fifo，由锁相环pll输出的本地时钟信号读取先进先出队列fifo中的数据，获得同步化处理后的行标识信号、场标识信号和视频数据。

所述故障检测模块包括时钟信号检测单元、行标识信号检测单元、场标识信号检测单元和视频数据检测单元；

所述时钟信号检测单元，输入信号为所述lvds串并解码器解码的时钟信号，用于检测时钟信号的稳定性；

所述行标识信号检测单元，输入信号为同步化处理后的行标识信号，用于检测行标识信号的缺失或波动；

所述场标识信号检测单元，输入信号为同步化处理后的场标识信号，用于检测场标识信号的缺失或波动；

所述视频数据检测单元，输入信号为同步化处理后的视频数据，用于对视频数据进行校验，判断视频数据是否存在异常。

所述通讯单元在数据接收过程中，首先进行码流接收，将接收到的码流进行数据解码，再将解码后的数据进行数据校验，输出校验后的数据；所述通讯单元在数据发包过程中，首先进行数据打包，将数据包进行数据编码，再将编码后的数据包进行码流发送，输出码流。

所述视频生成模块，用于生成内部测试时的并行数字视频，所述并行数字视频包括时钟信号、行标识信号、场标识信号和视频数据，其中时钟信号的频率和占空比和正常工作时外部输入的时钟信号一致，行标识信号和场标识信号的时序关系与正常工作时的外部输入的行、场标识信号一致。

一种lvds数字视频故障自动检测的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化系统；

步骤2：进入内部测试工作过程：由视频生成模块生成的测试数字视频经过lvds发送模块和lvds接收模块后进入视频同步模块和故障检测模块，形成内部测试回路，通过视频生成模块输出并行数字视频判断回路状态，如果内部测试结果异常，则根据故障信息对内部测试回路进行排查；如果内部测试结果正常，则执行步骤3；

步骤3：lvds接收模块中lvds交叉点开关将给lvds串并解码器的输入切换为正常工作时外部输入的lvds信号，并通过视频同步模块和故障检测模块对外部输入lvds数字视频中并行数字视频进行故障检测，如果检测到异常，则返回步骤2，如果未检测到异常，则保持正常工作状态。

所述并行数字视频包括时钟信号、行标识信号、场标识信号和视频数据。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在硬件上只是在现有的采用lvds技术作为视频接口的数字视频处理系统中增加了两组lvds交叉点开关，硬件改动很小，几乎不会增加系统硬件成本；

2.本发明在lvds接收模块中增加的lvds交叉点开关具有lvds信号接收均衡功能，可以补偿接收端lvds信号的传输损耗；

3.本发明在lvds发送模块中增加的lvds交叉点开关具有lvds信号发送预加重功能，可以提高发送端lvds信号的驱动能力；

4.本发明在软件上只是增加了一个故障自动检测模块，只需要借助于现有的数字视频处理系统中现场可编程门阵列(fpga)或者复杂可编程逻辑器件(cpld)的部分可编程逻辑资源即可实现，具有较高的集成度和较好的可移植性；

5.本发明增强了数字视频处理系中对lvds数字视频出现故障时的响应能力，一旦外部输入的lvds信号出现故障，将自动切换为内部测试工作模式，同时将故障信息传递给上位机或微处理器进行故障状态记录。

附图说明

图1为lvds数字视频故障自动检测系统的组成框图；

图2为视频同步模块的组成框图；

图3为故障检测模块的组成框图；

图4为通讯模块的组成框图；

图5为lvds数字视频故障自动检测系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的属于“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的标书只是为了说明的目的，并不表示唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明的组成框图如图1所示，按照其功能分为三个组成部分，依次为lvds接收模块u1、lvds发送模块u2和故障自动检测模块u3。

lvds接收模块u1，和故障自动检测模块u3相连，用于接收正常工作时和内部测试时的lvds数字视频；

lvds发送模块u2，和故障自动检测模块u3相连，用于发送同步化处理后的和内部测试时的lvds数字视频；

故障自动检测模块u3，和lvds接收模块u1及lvds发送模块u2相连，用于完成lvds数字视频的故障自动检测，另外它还和上位机或微处理器相连，用于接收指令信息并返回故障自动检测的状态信息。

lvds接收模块u1，和故障自动检测模块u3相连，它由lvds交叉点开关u4和lvds串并解码器u5构成，主要用于完成lvds信号的接收并从lvds串行数据流信号中解码得到并行数字视频。

在lvds接收模块u1中lvds交叉点开关u4根据故障自动检测模块u3中主控模块u10配置的工作模式，分别选择内部测试lvds信号和正常工作lvds信号作为lvds串并解码器u5的输入，同时使能其中的lvds信号接收均衡功能，降低lvds信号的传输损耗。lvds交叉点开关u4主要用于正常工作时和内部测试时lvds信号的选通控制。lvds串并解码器u5主要用于将接收到的lvds信号进行串并解码得到并行数字视频。

在lvds接收模块u1中lvds串并解码器u5根据故障自动检测模块u3中主控模块u10的使能命令，对lvds交叉点开关u4输出的lvds串行数据流信号进行解码，得到其中的并行数字视频，包括时钟信号、行标识信号、场标识信号和视频数据，并将它们传递给故障自动检测模块u3中的视频同步模块u8。

lvds发送模块u2，和故障自动检测模块u3相连，它由lvds交叉点开关u6和lvds并串编码器u7构成，主要用于并行数字视频的并串编码并将lvds串行数据流信号复制输出。

在lvds发送模块u2中lvds交叉点开关u6根据故障自动检测模块u3中主控模块u10配置的工作模式，将其输入端的lvds串行数据流信号进行复制，输出两路完全一样的lvds信号，同时使能其中的lvds信号发送预加重功能，提高lvds信号的驱动能力。lvds交叉点开关u6主要用于同步化处理后的和内部测试时lvds信号的输出复制；lvds并串编码器u7主要用于将接收到的并行数字视频进行并串编码得到lvds信号。

在lvds发送模块u2中lvds并串编码器u7根据故障自动检测模块u3中主控模块u10的使能命令，分别将视频生成模块u11输出的并行数字视频或者经过同步化处理之后的外部输入的并行数字视频进行并串编码得到lvds串行数据流信号，并输出给lvds交叉点开关u6。

如图1所示，故障自动检测模块u3，和lvds接收模块u1、lvds发送模块u2及外部的上位机或微处理器相连，主要用于完成对lvds数字视频的故障自动检测。根据其组成功能划分为五个子模块，分别是：视频同步模块u8、故障检测模块u9、主控模块u10、视频生成模块u11和通讯模块u12，在本实施例中，这五个子模块由现场可编程门阵列fpga中的逻辑资源实现。故障自动检测模块u3中的全部子模块均由现场可编程门阵列fpga中的可编程逻辑资源实现。下面将具体介绍它们的实施方式。

图2所示为视频同步模块u8，它主要由锁相环pll、先进先出队列fifo和一定数量的d触发器构成，用于将lvds串并解码器u5输出的并行数字视频中的时序信号和视频数据进行同步化处理。它首先将lvds串并解码器u5解码得到的并行数字视频中的时钟信号作为d触发器的控制时钟；然后将并行数字视频中的行标识信号、场标识信号和视频数据作为它们各自对应的d触发器的输入进行锁存；接着再分别将经过d触发器锁存后的行、场标识信号作为先进先出队列fifo的写使能信号，并由输入的时钟信号作为fifo的写时钟信号将锁存经过d触发器锁存后的视频数据写入fifo；最后，由锁相环pll输出的本地时钟信号读取fifo中的数据，获得与该本地时钟信号相同步的行标识信号、场标识信号和视频数据，实现对它们的同步化处理。

如图3所示为故障检测模块u9的组成框图，它由时钟信号检测单元、行标识信号检测单元、场标识信号检测单元和视频数据检测单元四个部分组成，分别完成对时钟信号、行标识信号、场标识信号和视频数据的故障检测。

时钟信号检测单元的检测对象是输入的时钟信号，它包括以下两个方面的检测内容，一是对时钟信号有无的判断，二是对时钟信号稳定性的监测。鉴于时钟信号在整个系统中的重要程度较高，在时钟信号检测单元进行故障检测时，会进行故障状态二次确认，即一旦检测到时钟信号存在异常时，在给出最终故障状态之前会延时一段时间对故障进行再次检测，当在给定的时间内又一次检测到故障时才会将系统的工作状态切换为内部测试模式，否则不切换系统的工作状态，但是会记录出现的单次异常；这样做的目的在于去除外部干扰对时钟信号的影响。

行标识信号检测单元的检测对象是经过同步化处理之后的行标识信号，它包括以下两个方面的检测内容，一是对行标识信号有无的判断，二是监测行标识信号是否有缺失或者存在波动。对行标识信号有无的判断主要通过本地时钟信号周期性地对行标识信号的上升沿和下降沿进行采样，如果能够采样到正确的上升沿和下降沿，则行标识信号是存在的，否则将按故障处理；对行标识信号是否缺失或者存在波动的监测则是通过本地时钟信号分别对行标识信号中的高电平和低电平进行计数，然后判断这两个计数器的值是否与输入的行标识信号的占空比相一致。

场标识信号检测单元的检测对象是经过同步化处理之后的场标识信号，它也包括两个方面的检测内容，一是对场标识信号有无的判断，二是监测场标识信号是否有缺失或者存在波动。场标识信号的故障检测过程和行标识信号基本一致，这里不再赘述。

视频数据检测单元的检测对象是经过同步化处理之后的视频数据，它的主要工作是对输入的视频数据进行校验，判断视频数据是否存在异常。在视频数据有效时，视频数据检测单元对同步化处理之后的视频数据进行采样，当输入为测试视频数据时，则根据测试视频数据的具体形式对视频数据进行逐个检测，判断是否存在异常数据；当输入为正常工作视频数据时，则对视频数据进行逐行累加获得每行的校验和，然后通过检测各行校验和是否正确来判断视频数据是否存在异常。这里需要指出的是，只有在时钟信号、行标识信号和场标识信号都正常时，视频数据检测单元给出的检测结果才有意义，因为如果上述三个信号中有一个存在异常，那么视频数据检测单元给出的视频数据的检测结果也是异常的。

主控模块u10主要用于完成lvds数字视频故障自动检测系统的核心控制，并负责管理其它模块的工作状态。它首先完成故障自动检测模块中其它子模块的初始化；然后使能视频生成模块u11输出内部测试时的并行数字视频，并通过lvds发送模块u2将其转换为lvds串行数据流信号输出给lvds接收模块u1，与此同时切换lvds接收模块u1中的lvds交叉点开关u4工作状态将内部测试时的lvds信号输出给lvds串并解码器u5；接着使能视频同步模块u8和故障检测模块u9，完成对内部测试时的lvds数字视频的故障检测，实现整个故障自动检测模块u3的自检过程；最后切换lvds接收模块u1中lvds交叉点开关u4的工作状态将正常工作时外部输入的lvds信号输出给lvds串并解码器u5得到外部输入的并行数字视频，并通过视频同步模块u8和故障检测模块u9实现对外部输入lvds数字视频的故障检测。

视频生产模块u11主要用于生成内部测试时的并行数字视频，包括时钟信号、行标识信号、场标识信号和视频数据，其中时钟信号的频率和占空比和正常工作时外部输入的时钟信号完全一致，行标识信号和场标识信号的时序关系也正常工作时的外部输入的行、场标识信号完全一致，并且该模块所生成的测试视频数据则具有多种形式可供选择。

如图4所示为通讯模块u12的组成框图，按其数据流向不同划为数据接收功能和数据发送功能，其中的数据接收功能包括码流接收、数据解码和数据校验三个组成部分，数据发送功能包括数据打包、数据编码和码流发送三个组成部分。通讯模块u5中的这些功能均由现场可编程门阵列fpga中的可编程逻辑资源实现，具有较高的集成度和灵活性。所述通讯模块u12用于完成主控模块u10和外部上位机或微处理器之间的信息交互，主要用于接收上位机的指令信息并返回故障自动检测的状态信息，根据应用场合的不同，其物理链路可以通过多种电气接口实现，包括但不限于双向二线制同步串行总线i²c、通用异步收发传输器uart、串行外设接口spi、通用串行总线usb等。

如图5所示为本发明的工作流程，其具体工作过程描述如下：

首先，系统上电后，由主控模块u10完成lvds发送模块u1和lvds接收模块u2各组成部分及故障自动检测模块u3中其它子模块的上电初始化过程；

然后，系统进入内部测试工作模式，这一步的主要工作是完成对lvds发送模块u1、lvds接收模块u2和故障自动检测模块u3的自检。进入内部测试工作模式后，由视频生成模块u11生成的测试数字视频经过lvds发送模块u2和lvds接收模块u1后进入视频同步模块u8和故障检测模块9，这时将形成一个内部测试回路，再通过视频生成模块u11输出不同形式的测试视频数据即可完成对该回路的状态判断。如果内部测试结果异常，则说明内部测试回路中某一环节存在问题，可以根据故障信息对内部测试回路进行排查，待故障解除后重新进入内部测试工作模式；如果内部测试结果为正常，则进入正常工作模式。

在正常工作模式时，lvds接收模块u1中lvds交叉点开关u4将给lvds串并解码器u5的输入切换为正常工作时外部输入的lvds信号，并通过视频同步模块u8和故障检测模块u9实现对外部输入lvds数字视频中时钟信号、行标识信号、场标识信号和视频数据的故障检测，一旦检测到异常现象，则自动切换至内部测试工作模式并将故障信息上报，否则将保持正常工作模式。这样，在正常工作时，通过故障自动检测模块u3即可完成外部输入的lvds数字视频状态的实时监控。