CN113965702A - 一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路及其方法，该电路包括FPGA芯片、视频转换芯片和DDR内存芯片，FPGA芯片与视频转换芯片、DDR内存芯片及外部多通道HDMI视频输入端、外部主板相连接，视频转换芯片接收外部网络视频输入信号并将其转换为HDMI视频信号后输入至FPGA芯片，FPGA芯片在外部主板的控制下对输入的多通道HDMI视频信号进行多通道无缝切换处理，FPGA芯片输出多通道HDMI视频信号至显示屏进行显示。本发明在FPGA芯片内设置PCIE硬核单元、DDR控制器单元、TMDS编码解码单元以及矩阵切换实现单元对多路输入的视频信号进行无缝切换，可实现在国产化平台下将多通道输入视频任意切换到多个输出通道进行视频输出，并达到广播级切换效果的功能。

Description

一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路及其方法
技术领域
本发明属于视频显示控制技术领域，尤其是一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路及其方法。
背景技术
随着安防、显示控制等领域的快速发展，视频显示从单一专用显示模式向综合显示模式转变。所谓综合显示模式，是指在特定的显示终端对来源众多的传感器视频信息进行处理、显示，并提供对前端传感器及其他设备的控制手段。这些传感器视频可以来自雷达、声纳，也可以是来自电视/红外的监控视频，或者是来自通用计算机GPU的图形视频。为了实现综合显示功能，多通道视频无缝切换是必不可少的一环。多通道视频无缝切换能够实现多通道输入视频任意切换到多个输出通道进行视频输出，并达到广播级切换效果的功能。
目前已实现的多路视频无缝切换技术通常基于美国相关企业生产的专用芯片，核心技术被垄断，只能在特定的几种使用背景中进行应用，灵活性较差，无法满足新形势下安防、显示控制等领域定制化的使用需求。在当前国产化平台下，部分技术可实现多通道输入视频的矩阵切换功能，但大多为民用级或专业级切换，在切换时会产生闪烁和雪花，很难实现广播级的切换效果。因此，如何基于国产化平台实现多通道视频无缝切换功能是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路及其方法，能够在国产化平台下将多通道输入视频任意切换到多个输出通道进行视频输出并达到广播级切换效果。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，包括FPGA芯片、视频转换芯片和DDR 内存芯片，所述FPGA芯片与视频转换芯片、DDR内存芯片及外部多通道HDMI视频输入端、外部主板相连接，所述视频转换芯片接收外部网络视频输入信号并将其转换为HDMI视频信号后输入至FPGA芯片，所述FPGA芯片在外部主板的控制下对输入的多通道HDMI视频信号进行多通道无缝切换处理，FPGA芯片输出多通道HDMI视频信号至显示屏进行显示。
而且，所述多通道视频无缝切换电路集成在一块电路板上，该电路板为6U CPEX结构。
而且，所述FPGA芯片内置有PCIE硬核单元、DDR控制器单元、TMDS编码解码单元以及矩阵切换实现单元；
而且，所述DDR控制单元由FPGA芯片中的软核实现，其与DDR内存芯片相连接，实现高速大容量数据存储功能；
而且，所述PCIE硬核单元提供与外部主板之间的PCIE通路，外部主板向PCIE硬核单元输出视频切换操作指令；
而且，所述TMDS编码解码单元由FPGA芯片中的状态机实现，实现不同分辨率下的时钟域同步以及通道对齐PCIE硬核单元；
而且，所述矩阵切换实现单元采用分区存储无缝切换算法，通过FPGA逻辑实现，完成多通道的无缝切换。
而且，所述PCIE硬核单元包括依次连接的用户接口模块、接收FIFO/发送FIFO、PCIExpress接收与发送逻辑模块、PCI Express硬核接口模块和PCI Express硬核。
而且，所述FPGA芯片通过CPEX连接器接收或发送HDMI视频信号。
而且，所述外部多通道HDMI视频输入端为四通道；所述视频转换芯片为两个，两个视频转换芯片转换两路HDMI视频信号输入至FPGA芯片；所述FPGA芯片输出四通道HDMI视频信号至显示屏进行显示。
而且，所述FPGA芯片采用的是JFM7VX690T80芯片。
一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换方法，应用于权利要求1至7任一项所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，包括以下步骤：
步骤1、多通道HDMI视频信号输入至FPGA芯片；
步骤2、FPGA芯片通过PCIE硬核读取外部主板的切换指令并进行解析；
步骤3、根据外部主板的切换指令，FPGA芯片的TMDS编码解码单元根据指定的分辨率进行时钟域同步以及通道对齐操作；
步骤4、FPGA芯片的矩阵切换实现单元采用分区存储无缝切换算法进行多通道视频无缝切换；
步骤5、FPGA芯片将最终切换后的HDMI视频信号通过输出至4K显示屏进行视频显示。
而且，步骤4中的无缝切换算法为：FPGA芯片将存储器划分为两个存储区，若没有检测到切换信号，数据将存入DDR内存的B存储区，若检测到切换信号，则将切换前数据存入DDR 内存的A存储区，而待切换的数据存入DDR内存的B存储区；切换完成后从DDR内存中读取视频数据进行无缝切换显示，检测到切换信号前输出DDR内存中A存储区的数据进行显示，切换过程中同时输出A存储区、B存储区的视频数据进行显示，切换完成后恢复原来的数据流向，切换后的数据存入DDR内存的B存储区数据。
本发明的优点和积极效果是：
本发明在FPGA芯片内设置PCIE硬核单元、DDR控制器单元、TMDS编码解码单元以及矩阵切换实现单元对多路输入的视频信号进行无缝切换，可实现在国产化平台下将多通道输入视频任意切换到多个输出通道进行视频输出，并达到广播级切换效果的功能，为国产化综合显示系统的发展提供更为强大的支持，符合未来相关技术发展的大趋势。
附图说明
图1为本发明的基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路的方框图；
图2为本发明的PCIE硬核单元的结构图；
图3为本发明的TMDS编码解码单元的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，可实现外部四通道本地HDMI视频信号及两通道网络HDMI视频信号输入，任意切换到四通道HDMI视频信号输出功能。如图1所示，该多通道视频无缝切换电路安装在一块电路板，该电路板为6U CPEX结构，该电路板包括FPGA 芯片、两个视频转换芯片和内存芯片。所述外部四通道本地HDMI视频信号通过CPEX连接器与FPGA芯片相连接并向FPGA芯片输入四路视频信号，所述两通道网络HDMI信号经千兆以太网连接到两个视频转换芯片，两个视频转换芯片转换后输出HDMI视频信号并通过CPEX连接器传输至FPGA芯片上。所述FPGA芯片对六路HDMI视频信号进行切换处理后，通过CPEX连接器输出四通道HDMI视频信号至4K显示屏进行显示。所述FPGA芯片还与内存芯片(DDR3， 16GB)相连接，实现数据存取功能。所述FPGA芯片与外部主板相连接，实现控制命令及数据交互功能，FPGA芯片在外部主板的控制下进行工作。
在本实施例中，所述FPGA芯片采用上海复旦微电子公司的JFM7VX690T80芯片。在FPGA 中设有PCIE硬核单元、DDR控制器单元、TMDS编码解码单元以及矩阵切换实现单元，实现多通道视频无缝切换功能。其中：
所述DDR控制单元由FPGA芯片中的软核实现，其与DDR内存相连接，实现高速大容量数据存储功能。
所述PCIE硬核单元提供与外部主板之间的PCIE通路，通过外部主板向PCIE硬核单元输出视频切换操作指令。PCIE硬核单元与外部主板之间的数据传输面向PCIE事务层，更底层的数据链路层和物理层的实现不需要有用户逻辑实现。从功能上来说，用户逻辑只需要实现事务层数据包封装，按照与端点模块的接口规范进行通信。
如图2所示。PCIE硬核单元包括用户接口模块、接收FIFO、发送FIFO、PCI Express接收与发送逻辑模块、PCI Express硬核接口模块、PCI Express硬核，外部主板数据经用户接口模块、接收FIFO/发送FIFO、PCI Express接收与发送逻辑模块、PCI Express硬核接口模块和PCI Express硬核后，生成PCI Express数据。
所述TMDS编码解码单元由FPGA芯片中的状态机实现，实现不同分辨率下的时钟域同步以及通道对齐PCIE硬核单元。其通过图3所示逻HDMI连接辑电路实现，两个HDMI传送器之间通过三个TMDS数据通道、一个TMDS时钟通道及数据显示通道(DDC)连接在一起，每一个状态根据HDMI传输协议解析出前导码preamble、校验值、数据帧等内容，逐个判断，最终找出帧头，从而在HDMI接收端的内部消除3条数据通路的相对延时，对齐后的数据用于HDMI数据解码。
所述矩阵切换实现单元采用分区存储无缝切换算法，通过FPGA逻辑实现，完成多通道的无缝切换。
本发明还提出一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换方法，该方法应用在基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路上，包括以下步骤：
步骤1、六通道HDMI视频信号通过电路板CPEX连接器输入至FPGA芯片；
步骤2、FPGA芯片通过PCIE硬核读取主板的切换指令；
步骤3、当读取到主板的切换指令后，FPGA内部的TMDS编码解码单元根据指定的分辨率进行时钟域同步以及通道对齐操作；
步骤4、FPGA内部的矩阵切换实现单元采用分区存储无缝切换算法进行多通道视频无缝切换。
本步骤的具体实现方法为：将存储器划分为两个存储区，若没有检测到切换信号，数据将存入DDR的B存储区，若检测到切换信号，则将切换前数据存入DDR的A存储区，而待切换的数据存入DDR的B存储区；切换完成后从DDR中读取视频数据进行无缝切换显示，检测到切换信号前输出DDR中A存储区的数据进行显示，切换过程中同时输出A、B存储区的视频数据进行显示，切换效果完成后恢复原来的数据流向，切换后的数据存入DDR的B存储区数据
步骤5、最终切换后的HDMI视频信号通过CPEX连接器输出至外部显示屏进行视频显示。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：包括FPGA芯片、视频转换芯片和DDR内存芯片，所述FPGA芯片与视频转换芯片、DDR内存芯片及外部多通道HDMI视频输入端、外部主板相连接，所述视频转换芯片接收外部网络视频输入信号并将其转换为HDMI视频信号后输入至FPGA芯片，所述FPGA芯片在外部主板的控制下对输入的多通道HDMI视频信号进行多通道无缝切换处理，FPGA芯片输出多通道HDMI视频信号至显示屏进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：所述多通道视频无缝切换电路集成在一块电路板上，该电路板为6U CPEX结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：所述FPGA芯片内置有PCIE硬核单元、DDR控制器单元、TMDS编码解码单元以及矩阵切换实现单元；
所述DDR控制单元由FPGA芯片中的软核实现，其与DDR内存芯片相连接，实现高速大容量数据存储功能；
所述PCIE硬核单元提供与外部主板之间的PCIE通路，外部主板向PCIE硬核单元输出视频切换操作指令；
所述TMDS编码解码单元由FPGA芯片中的状态机实现，实现不同分辨率下的时钟域同步以及通道对齐PCIE硬核单元；
所述矩阵切换实现单元采用分区存储无缝切换算法，通过FPGA逻辑实现，完成多通道的无缝切换。
4.根据权利要求3所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：所述PCIE硬核单元包括依次连接的用户接口模块、接收FIFO/发送FIFO、PCI Express接收与发送逻辑模块、PCI Express硬核接口模块和PCI Express硬核。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：所述FPGA芯片通过CPEX连接器接收或发送HDMI视频信号。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：所述外部多通道HDMI视频输入端为四通道；所述视频转换芯片为两个，两个视频转换芯片转换两路HDMI视频信号输入至FPGA芯片；所述FPGA芯片输出四通道HDMI视频信号至显示屏进行显示。
7.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：所述FPGA芯片采用的是JFM7VX690T80芯片。
8.一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换方法，应用于权利要求1至7任一项所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、多通道HDMI视频信号输入至FPGA芯片；
步骤2、FPGA芯片通过PCIE硬核读取外部主板的切换指令并进行解析；
步骤3、根据外部主板的切换指令，FPGA芯片的TMDS编码解码单元根据指定的分辨率进行时钟域同步以及通道对齐操作；
步骤4、FPGA芯片的矩阵切换实现单元采用分区存储无缝切换算法进行多通道视频无缝切换；
步骤5、FPGA芯片将最终切换后的HDMI视频信号通过输出至4K显示屏进行视频显示。
9.根据权利要求8所述的一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换方法，其特征在于：步骤4中的无缝切换算法为：FPGA芯片将存储器划分为两个存储区，若没有检测到切换信号，数据将存入DDR内存的B存储区，若检测到切换信号，则将切换前数据存入DDR内存的A存储区，而待切换的数据存入DDR内存的B存储区；切换完成后从DDR内存中读取视频数据进行无缝切换显示，检测到切换信号前输出DDR内存中A存储区的数据进行显示，切换过程中同时输出A存储区、B存储区的视频数据进行显示，切换完成后恢复原来的数据流向，切换后的数据存入DDR内存的B存储区数据。
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