CN110798633A - 基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于视频显控技术领域，具体涉及了一种基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，旨在解决现有技术无法实现大规模多路视频互联切换的问题。本发明包括：一个或多个接口卡，用于对业务数据进行区分通道的切包、封包、定时发送、缓存、重组、图像处理、声音处理、控制处理；以太网交换单元基于切换配置、数据的目的地址进行数据复制及转发；时钟同步卡，提供时钟信号、同步信号；控制卡用于进行以太网交换单元、接口卡的输入通道、输出通道之间的切换配置。本发明设备总容量可以随着交换芯片使用数量线性增加，业务数据以数据包的形式进行区分通道的处理，可实现大规模全无阻灵活数据交换，设备灵活性高，数据丢失率低。

Description

基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备

技术领域

本发明属于视频显控技术领域，具体涉及了一种基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备。

背景技术

视频显控设备主要包括视频矩阵和拼接处理器。视频矩阵是指通过阵列切换的方法将m路视频信号任意输出至n路监控设备上的电子装置。有一些视频矩阵也带有音频切换功能，能将视频和音频信号进行同步切换，这种矩阵也叫做视音频矩阵。目前的视频矩阵就其实现方法来说有模拟矩阵和数字矩阵两大类。视频矩阵一般用于各类监控场合。视频拼接控制器是专业的视频处理与控制设备，主要功能是把一路视频信号分割为多个显示单元，将分割后的显示单元信号输出到多个显示终端，并完成用多个显示屏拼接组成一个完整的图像，处理过程完全硬件化，视频显示过程不需要电脑和启动软件等操作，非常简便。

现有的视频显控设备，视频业务背板侧的互联切换通过crosspoint芯片实现，crosspoint的每个输入端口接一路输入视频，每个输出端口接一路输出视频，通过配置芯片内部的输入到输出的连接关系，实现视频业务的切换连接和复制输出的等功能。crosspoint的每一路输入输出端口只能传输一路视频业务，这就导致设备的最大规模受限于芯片的接口数量。目前的设备规模，已经无法满足用户的需求，急需一种更大规模的设备实现多路视频互联切换。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法实现大规模多路视频互联切换的问题，本发明提供了一种基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，包括背板、电源、主控模块、风扇、机箱，该视频显控矩阵设备还包括一个或多个接口卡、以太网交换单元、时钟同步卡、控制卡；

所述接口卡用于接收并处理外部业务数据，并基于所述时钟同步卡的信号，定时匀速将处理后的外部业务数据发送至以太网交换单元；还用于接收以太网交换单元发送的切换配置后的数据，处理并输出；所述外部业务数据包括视频、音频、控制数据；

所述以太网交换单元用于基于切换配置、目的地址，对相应的数据进行复制以及转发；

所述时钟同步卡用于提供一组时钟信号、同步信号；所述时钟信号用于所述接口卡内部计时；所述同步信号用于定期对各个模块的内部计时进行校准；

所述控制卡用于进行所述以太网交换单元、接口卡的输入通道、输出通道之间的切换配置。

在一些优选的实施例中，所述接口卡包括一个或多个输入接口、一个或多个输出接口、数据处理模块、第一微控制模块；

所述输入接口用于获取外部业务数据；

所述输出接口用于输出以太网交换单元发送的相应数据；

所述数据处理模块，配置为基于所述第一微控制模块获取的控制卡配置指令将所述外部业务数据进行数据切分、打包、封包；还配置为将来自所述以太网交换单元的数据进行缓存、排序重组，并基于所述第一微控制模块获取的控制卡配置指令对数据进行业务处理生成新的业务数据；

所述第一微控制模块用于转发控制卡的配置指令，进行所述数据处理模块中以太网封包模块、业务处理模块的配置。

在一些优选的实施例中，“对数据进行业务处理生成新的业务数据”，其方法为：

对数据进行图像处理、声音处理、控制指令处理中的一种或多种，获得新的业务数据。

在一些优选的实施例中，所述以太网交换单元包括一个或多个以太网交换卡；所述以太网交换卡包括以太网交换芯片、第二微控制模块；

所述以太网交换芯片用于承载设备大规模数据交换；

所述第二微控制模块用于对所述以太网交换芯片进行配置。

在一些优选的实施例中，“对所述以太网交换芯片进行配置”包括：

初始化、转发表、组播表。

在一些优选的实施例中，所述时钟同步卡包括PLL时钟芯片、晶振、第三微控制模块、分频模块、一个或多个时钟驱动芯片；

所述PLL时钟芯片通过锁定所述晶振以及基于所述第三微控制模块的配置，生成时钟信号、高频时钟；

所述分频模块用于对所述高频时钟进行分频处理，获取同步信号；

所述时钟驱动芯片用于输出时钟信号、同步信号。

在一些优选的实施例中，所述时钟信号频率低于设定阈值。

在一些优选的实施例中，所述以太网交换卡与所述接口卡之间存在不少于一对高速双向Serdes通道。

本发明的另一方面，提出了一种业务数据交换及处理方法，基于上述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，该方法包括：

步骤S10，将获取的外部业务数据切分为固定长度的数据包，并分别为所述数据包添加顺序标签；

步骤S20，将添加顺序标签的数据包封装为以太网数据包，根据当前接口卡的位置及端口生成源地址，根据切换配置生成目的地址；

步骤S30，基于获取的同步信号，定时匀速将所述以太网数据包按照标签依次发送到以太网交换单元；

步骤S40，以太网交换单元依据切换配置，进行相应以太网数据包复制并填写目的地址，并根据所述目的地址对所述以太网数据包进行转发；

步骤S50，接口卡接收到所述以太网数据包，根据所述目的地址分通道进行数据拆包缓存；

步骤S60，基于所述数据包的顺序标签，对所述缓存的数据包进行重新排序，恢复为原始业务数据；

步骤S70，根据控制卡配置，对所述业务数据进行图像处理、声音处理、控制指令处理中的一种或多种，生成新的业务数据并输出。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，交换卡数量可以根据设备规模灵活扩展，设备总容量可以随着交换芯片使用数量线性增加，数据业务不再受物理接口的限制，每个对外接口和每个背板接口都可以传输多个业务，这使得设备在业务数量、总处理带宽方面都有了巨大的提升，能够满足用户更大规模场景的应用需求。

(2)本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，通过FPGA对业务数据进行区分通道的切包、封包、定时发送、缓存、重组、图像处理、声音处理、控制处理，FPGA配合交换芯片，视频等业务的交换处理以数据包的形式进行处理，每个接口中的每个视频、音频、控制业务都以通道的方式进行区分，分别进行交换，实现了对接口卡物理接口中子业务通道的交换调度和处理，提升了设备灵活性。

(3)本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，通过时钟同步卡对接口卡发送数据进行同步处理，消除以太网包交换突发带宽拥塞丢包的问题。

(4)本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，通过控制卡对FPGA的数据包地址配置、对交换芯片的转发表和组播表配置，实现了设备每个输入业务端口到每个业务输出端口的全无阻灵活切换的功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备的结构示意图；

图2是本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的接口卡结构示意图；

图3是本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的以太网交换卡结构示意图；

图4是本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的时钟同步卡结构示意图；

图5是本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的业务数据交换及处理方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，包括背板、电源、主控模块、风扇、机箱，该视频显控矩阵设备还包括一个或多个接口卡、以太网交换单元、时钟同步卡、控制卡；

所述接口卡用于接收并处理外部业务数据，并基于所述时钟同步卡的信号，定时匀速将处理后的外部业务数据发送至以太网交换单元；还用于接收以太网交换单元发送的切换配置后的数据，处理并输出；所述外部业务数据包括视频、音频、控制数据；

所述以太网交换单元用于基于切换配置、目的地址，对相应的数据进行复制以及转发；

所述时钟同步卡用于提供一组时钟信号、同步信号；所述时钟信号用于所述接口卡内部计时；所述同步信号用于定期对各个模块的内部计时进行校准；

所述控制卡用于进行所述以太网交换单元、接口卡的输入通道、输出通道之间的切换配置。

为了更清晰地对本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明一种实施例的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，包括背板、电源、主控模块、风扇、机箱，该视频显控矩阵设备还包括一个或多个接口卡、以太网交换单元、时钟同步卡、控制卡，各模块详细描述如下：

接口卡用于接收并处理外部业务数据，并基于时钟同步卡的信号，定时匀速将处理后的外部业务数据发送至以太网交换单元；还用于接收以太网交换单元发送的切换配置后的数据，处理并输出；其中，外部业务数据包括视频、音频、控制数据。

以太网交换卡与接口卡之间存在不少于一对高速双向Serdes通道，一般Serdes通道传输10GE、25GE或40GE的以太网业务，能够满足较大规模设备的带宽需求。

如图2所示，为本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的接口卡结构示意图，以支持一路输入、一路输出的接口卡为例进行说明，包括一个输入接口、一个输出接口、一个数据处理模块、一个微控制模块。其中，输入接口用于获取外部业务数据；输出接口用于输出以太网交换单元发送的相应数据；数据处理模块基于第一微控制模块获取的控制卡配置指令将外部业务数据进行数据切分、打包、封包；还用于将来自以太网交换单元的数据进行缓存、排序重组，并基于第一微控制模块获取的控制卡配置指令对数据进行业务处理生成新的业务数据；第一微控制模块用于转发控制卡的配置指令，进行数据处理模块中以太网封包模块、处理模块的配置。

“对数据进行业务处理生成新的业务数据”，其方法为：

对数据进行图像处理、声音处理、控制指令处理中的一种或多种，获得新的业务数据。

每个接口卡都有多个输入输出通道，用于接入外部视频、音频、控制数据等业务数据流，输出通道则用于向外部输出指定的一个或多个经过处理的业务数据，从而实现视频显控设备需要的功能。

以太网交换单元用于基于切换配置、目的地址，对相应的数据进行复制以及转发。

以太网交换单元包括一个或多个以太网交换卡；如图3所示，为本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的以太网交换卡结构示意图，以太网交换卡包括以太网交换芯片、第二微控制模块。其中，以太网交换芯片用于承载设备大规模数据交换；第二微控制模块用于对以太网交换芯片进行配置。

“对所述以太网交换芯片进行配置”包括：

初始化、转发表、组播表。

以太网交换芯片需要承载设备所有数据流量的交换，需要选择交换容量比较大、通道速率比较高的芯片。目前，比较大容量的交换芯片有128x10G、256x25G、512x50G等型号，可以根据设备总交换带宽规划进行灵活选择。

时钟同步卡用于提供一组时钟信号、同步信号；时钟信号用于接口卡内部计时；同步信号用于定期对各个模块的内部计时进行校准。

如图4所示，为本发明基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备一种实施例的时钟同步卡结构示意图，以一路时钟信号输出的时钟驱动芯片以及一路同步信号输出的时钟驱动芯片为例进行说明，时钟同步卡包括PLL时钟芯片、晶振、第三微控制模块、分频模块、两个时钟驱动芯片。其中，PLL时钟芯片通过锁定晶振生成时钟信号，时钟信号的频率通过第三微控制模块配置；分发到各个接口卡的时钟信号，由于要经过较长距离的背板传输，为了降低损耗和对外干扰，一般会选择较低的时钟频率，比如25MHz；同步信号是频率很低的脉冲信号，一般为Hz级别，需要通过高频时钟分频得到；时钟驱动芯片提高信号的驱动能力，保证信号到各个接口卡时还能保证较好的信号质量。

控制卡用于进行以太网交换单元、接口卡的输入通道、输出通道之间的切换配置。

控制卡和所有板卡都有内部管理通道连接，通过对接口卡和交换卡的配置，实现所有接口卡输入输出端口之间的切换关系配置。

需要说明的是，上述实施例提供的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。

本发明第二实施例的一种业务数据交换及处理方法，如图5所示，基于上述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，该方法包括：

步骤S10，将获取的外部业务数据切分为固定长度的数据包，并分别为所述数据包添加顺序标签；

步骤S20，将添加顺序标签的数据包封装为以太网数据包，根据当前接口卡的位置及端口生成源地址，根据切换配置生成目的地址；

步骤S30，基于获取的同步信号，定时匀速将所述以太网数据包按照标签依次发送到以太网交换单元；

步骤S40，以太网交换单元依据切换配置，进行相应以太网数据包复制并填写目的地址，并根据所述目的地址对所述以太网数据包进行转发；

步骤S50，接口卡接收到所述以太网数据包，根据所述目的地址分通道进行数据拆包缓存；

步骤S60，基于所述数据包的顺序标签，对所述缓存的数据包进行重新排序，恢复为原始业务数据；

步骤S70，根据控制卡配置，对所述业务数据进行图像处理、声音处理、控制指令处理中的一种或多种，生成新的业务数据并输出。

本实施例描述了一组视频类业务从输入到输出的基本处理流程，实际应用中，一个输入到多个输出、多个输入到一个输出、多个输入到多个输出的情况都是类似的。

业务数据进入接口卡业务数据处理模块，先把业务数据切分为固定长度以适合以太网传输，一般选择512字节或1024字节的数据包长度，可以实现比较高效率的数据传输。还可以选择其他固定长度以适应不用场合的需求，本发明对此不作限定。数据包需要添加顺序标签以表示先后顺序，方便经过交换之后进行数据重组。数据包通过添加源地址和目的地址封装为以太网数据包，源地址通过板卡序号和业务输入通道号生成，目的地址根据控制卡的切换配置进行生成，用于标识所要去的接口卡的某个通道号。然后，根据时钟卡提供的同步信息，定时匀速的向以太网切换单元发送以太网数据包，同时，数据包应该轮流发往每个交换卡，实现交换卡的数据流量均匀平衡，这样才能保证在最大数据带宽的时候，也不会发生拥塞和丢包。

以太网交换单元收到数据包之后，会根据目的地址进行查表，把数据包转发到对应的接口卡。地址表由控制卡进行配置，当存在一个输入到多个输出时，能够从特殊的目的地址识别出来，查找多播表，对数据进行复制，然后分别替换为指定的目的地址，再转发到对应接口卡。

接口卡输出业务数据处理模块，接收到来自多个切换卡的以太网数据包，根据目的地址分为不同的业务通道进行缓存。拆除以太网包头之后，根据顺序标签对数据包进行乱序重排，恢复为原始的业务数据。然后，根据控制卡的配置，对业务数据进行图像、声音、控制方面的处理，生成新的业务数据流。最后，输出到对应的外部设备。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述设备实施例中的对应过程，在此不再赘述。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，包括背板、电源、主控模块、风扇、机箱，其特征在于，该视频显控矩阵设备还包括一个或多个接口卡、以太网交换单元、时钟同步卡、控制卡；

所述接口卡用于接收并处理外部业务数据，并基于所述时钟同步卡的信号，定时匀速将处理后的外部业务数据发送至以太网交换单元；还用于接收以太网交换单元发送的切换配置后的数据，处理并输出；所述外部业务数据包括视频、音频、控制数据；

所述以太网交换单元用于基于切换配置、目的地址，对相应的数据进行复制以及转发；

所述时钟同步卡用于提供一组时钟信号、同步信号；所述时钟信号用于所述接口卡内部计时；所述同步信号用于定期对各个模块的内部计时进行校准；

所述控制卡用于进行所述以太网交换单元、接口卡的输入通道、输出通道之间的切换配置。

2.根据权利要求1所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，所述接口卡包括一个或多个输入接口、一个或多个输出接口、数据处理模块、第一微控制模块；

所述输入接口用于获取外部业务数据；

所述输出接口用于输出以太网交换单元发送的相应数据；

所述数据处理模块，配置为基于所述第一微控制模块获取的控制卡配置指令将所述外部业务数据进行数据切分、打包、封包；还配置为将来自所述以太网交换单元的数据进行缓存、排序重组，并基于所述第一微控制模块获取的控制卡配置指令对数据进行业务处理生成新的业务数据；

所述第一微控制模块用于转发控制卡的配置指令，进行所述数据处理模块中以太网封包模块、业务处理模块的配置。

3.根据权利要求2所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，“对数据进行业务处理生成新的业务数据”，其方法为：

对数据进行图像处理、声音处理、控制指令处理中的一种或多种，获得新的业务数据。

4.根据权利要求1所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，所述以太网交换单元包括一个或多个以太网交换卡；所述以太网交换卡包括以太网交换芯片、第二微控制模块；

所述以太网交换芯片用于承载设备大规模数据交换；

所述第二微控制模块用于对所述以太网交换芯片进行配置。

5.根据权利要求4所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，“对所述以太网交换芯片进行配置”包括：

初始化、转发表、组播表。

6.根据权利要求1所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，所述时钟同步卡包括PLL时钟芯片、晶振、第三微控制模块、分频模块、一个或多个时钟驱动芯片；

所述PLL时钟芯片通过锁定所述晶振以及基于所述第三微控制模块的配置，生成时钟信号、高频时钟；

所述分频模块用于对所述高频时钟进行分频处理，获取同步信号；

所述时钟驱动芯片用于输出时钟信号、同步信号。

7.根据权利要求6所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，所述时钟信号频率低于设定阈值。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，其特征在于，所述以太网交换卡与所述接口卡之间存在不少于一对高速双向Serdes通道。

9.一种业务数据交换及处理方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的基于以太网交换技术的大规模视频显控矩阵设备，该方法包括：

步骤S10，将获取的外部业务数据切分为固定长度的数据包，并分别为所述数据包添加顺序标签；

步骤S20，将添加顺序标签的数据包封装为以太网数据包，根据当前接口卡的位置及端口生成源地址，根据切换配置生成目的地址；

步骤S30，基于获取的同步信号，定时匀速将所述以太网数据包按照标签依次发送到以太网交换单元；

步骤S40，以太网交换单元依据切换配置，进行相应以太网数据包复制并填写目的地址，并根据所述目的地址对所述以太网数据包进行转发；

步骤S50，接口卡接收到所述以太网数据包，根据所述目的地址分通道进行数据拆包缓存；

步骤S60，基于所述数据包的顺序标签，对所述缓存的数据包进行重新排序，恢复为原始业务数据；

步骤S70，根据控制卡配置，对所述业务数据进行图像处理、声音处理、控制指令处理中的一种或多种，生成新的业务数据并输出。

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