基于模塊化設計的視頻跟蹤器故障診斷檢測工裝研究

彭 勇，唐中和，李 俊，曾 晶，游勇強，陳思宇，霍虹宇，李 璽

(西南技術物理研究所，成都 610041)

0 引言

視頻跟蹤器是光電系統的重要組成部分，主要功能是接收紅外熱像儀與電視攝像機輸出的視頻圖像，實現對目標進行搜索與跟蹤，輸出目標相對于視場中心的位置信息，驅動伺服完成穩定閉環跟蹤[1-5]。

作為一個純電子設備，視頻跟蹤器各模塊間功能存在相互耦合，其測試及診斷難度較大[6-7]。文獻[8]采用嵌入式邊界掃描、非侵入式測試等先進的板級嵌入式測試技術,設計了一種基于FPGA的嵌入式測試控制器設計方案，能夠實現測試自動化、提高測試效率, 從而能夠更好地降低產品整個壽命周期的測試維修成本，但該方法并不能定位板級故障。文獻[9]構建了基于PXI總線的一體化硬件診斷資源平臺,通過信號量復合故障診斷方法及深淺知識推理機相結合的故障診斷策略完成故障診斷，并在其基礎上研制了一型便攜式通用電路板故障診斷儀，但實際應用中只采用了基于電壓/電流測試的故障診斷。文獻[10]提出的診斷方法實現了對產線的全面改造升級，選用工控機和IO卡來構成主控硬件平臺，并在在Qt軟件開發環境下完成上位機開發，最終完成對電路板的全自動檢測。以上分析結果表明，常見檢測方法無法準確表達視頻跟蹤器故障變化特點。

針對目前對于視頻跟蹤器無標準的檢測手段，當圖像電路出現故障后往往只能采用倒序排查法進行檢測[11]。當視頻跟蹤器發生故障的時候，修理人員憑借修理經驗，再結合定性分析，才能判斷出故障點，此類方法耗時較長，已經無法滿足診斷和測試的要求。為了化繁為簡，本文將對跟蹤器各功能模塊進行解耦分析，通過將傳統檢驗方法中圖像電路的結構和每個部分的作用進行功能劃分，并利用故障樹分析法列舉出圖像電路中的測試點、測試順序以及測試內容，從而建立一種有效的測試流程與故障樹分析模型，從而快速完成圖像電路的故障定位以及故障維修。

本文所設計的檢測工裝能夠使用多種視頻輸入輸出接口與通信接口，可手動或自動進行功能與性能測試，并快速定位故障，無需搭建復雜的檢測平臺，適合產品校驗與外場排查故障，縮短維修時間，提高維修效率，對圖像處理組件具有非常好的推廣價值。

1 視頻跟蹤器原理

視頻跟蹤器由圖像處理硬件制成板、結構冷板與相關軟件組成,其中制成板采用FPGA+DSP架構。DSP芯片采用高速數字信號處理芯片芯片實現圖像數據數據,并通過通信接口輸出目標相對于中心的取差數據[12]；FPGA實現與板外設備接口、通訊等功能。圖像處理板是視頻跟蹤器的關鍵單元，通過接收外部輸入的視頻信號，經過處理進行后，再輸出成像電路進行顯示。視頻跟蹤器處理的圖像格式千差萬別，不僅有模擬PAL視頻，還有CML、CameraLink、SDI等數字視頻。雖然輸入輸出接口芯片存在差異，但處理流程類似。本文對模擬PAL視頻的接口進行描述[13]。

圖1 圖像跟蹤板原理框圖

根據電路的結構框架，分為視頻信號輸入，A/D轉換、數字信號處理、D/A轉換、視頻信號放大、同步信號分離、視頻信號輸出等部分，其系統組成如圖1所示。接下來，本章將對各功能模塊進行簡要描述。

1)多路開關電路：將視頻信號分為三路，其中一路信號作為原始視頻信號與波門及系統參量(如字符、圖形)疊加后形成跟蹤畫面復合視頻信號輸出送監視器顯示或錄像；另一路去解碼器，轉換成數字視頻信號，同時分離出系統所需的各種同步信號；還有一路驅動后送出原始視頻[14]。

2)鉗位電路：將視頻信號的同步肩鉗位于某一電平使疊加字符圖形后的視頻信號穩定。

3)圖像解碼：將模擬視頻信號經內部的低通濾波電路、增益控制電路、數字鉗位電路等處理后轉換成數字視頻信號輸出，供后續的數字信號處理模塊使用。同時也分離出行同步、場同步、復合同步等視頻跟蹤器所需的各種同步信號。

4)像素時鐘產生：以視頻信號的行同步信號作為基準相位信號，產生一個鎖相像素時鐘信號，供圖像解碼、波門同步和高速圖像幀存儲器等使用。

5)視頻信號放大：對圖像電路中的模擬視頻信號進行放大處理，其放大倍數為反饋電阻和信號輸入端電阻阻值之比。其作用是對輸入的微弱視頻信號加以放大，以便輸送到后續電路中進行校正和補償。

6)同步信號分離：同步信號分離是為了讓電路處理后的視頻信號與監視器的行掃描和場掃描同步，保證圖像畫面能夠正常顯示而在原始圖像外增加的同步信號。在視頻圖像電路中，外同步信號是由晶振和同步分離器分頻來產生的。

2 視頻跟蹤器功能性能測試及維修流程

視頻跟蹤器的性能測試及故障診斷無標準的檢測手段，當圖像電路出現故障后往往只能采用倒序排查法進行檢測[15]。修理測試人員大都憑借行業經驗，通過搭建龐大的測試平臺，才能判斷出故障點。為了梳理傳統的維修測試方法，便于后續建模分析，本章通過解耦模型將視頻跟蹤器的功能及數據流進行劃分，并利用故障樹分析法自上而下進行建模，形成合理的模塊化測試模型。通過對不同裝載平臺類型產品的圖像電路共性分析，依據圖像電路結構及對應的功能性能，圖像電路的測試順序大致分為三大部分。

1)視頻信號輸入:視頻信號輸入部分的作用是為圖像電路提供未經處理的原始視頻信號，輸入視頻信號正常與否會直接影響輸出視頻信號的質量，導致成像畫面無法正常顯示。因此需要測試輸入電路的視頻信號，排除外部信號對圖像電路的干擾。

2)視頻信號處理:根據圖像處理電路的原理和結構，視頻信號處理部分又劃分為視頻信號放大、數字信號處理和同步信號分離3個小部分。視頻信號處理部分是圖像電路的核心部分，其中的每個小部分有異常都會影響到最終成像畫面的質量以及產品功能的實現。通過測試相應位置的信號電平判斷電路是否正常[16]。

3)視頻信號輸出:視頻信號輸出到監視器等成像設備上進行成像，輸出的視頻信號正常與否直接影響成像畫面的質量。通過測試輸出的視頻信號，排除外圍成像設備的干擾，從而判斷視頻圖像電路是否正常。

在視頻圖像信號電路的實際應用中，很容易發生圖像失真、圖像干擾以及圖像扭曲、抖動的問題，影響視頻圖像的質量以及產品功能的實現，因此需要對電路進行測試和調試。為了確保圖像畫面清晰、穩定，視頻信號波形的頻率、幅值、波形都有相應的要求。由于視頻圖像信號的測試基本上都是依靠示波器來進行的，因此要求調試測試作業的操作者必須能夠熟練使用示波器。根據電路的結構，通用視頻圖像電路可以分為視頻信號輸入、視頻信號處理和視頻信號輸出三大部分，其中視頻信號處理又分為視頻信號放大、數字信號處理和同步信號分離3個小部分。根據結構中每個部分的作用，當出現圖像顯示異常的現象后可以按以下步驟進行檢測調試。

2.1 復合視頻信號輸出

輸出視頻信號是模擬信號，包括了圖像信號、字符疊加信號與同步信號，信號整合后稱為復合視頻信號。在跟蹤器正常工作情況下使用示波器測試出的信號波形中，黑電平以上為圖像顯示信號波形，以下是行、場同步信號以及消隱電平信號。圖像信號幅度(調節輸入的目標信號亮度)設為0.7 V,行、場同步脈沖幅度為0.3 V(與圖像信號反向)，峰—峰值Vp-p為0.9～1.2 V之間。輸出的視頻信號已含有疊加字符等信號，從示波器的波形上看，字符的電平信號和目標圖像的視頻信號混合在一起，波形比較雜亂。為了便于觀測，可以把輸入目標的對比度增大，將目標信號與其他信號區別開來，正常情況下可以看到目標電平的幅值增大。本步驟測試的是圖像電路的最終輸出信號，由于該信號輸出后會直接進入到圖像顯示設備進行成像，化繁為簡，測試視頻信號的電平幅度、行/場同步脈沖信號幅度以及電平峰—峰值達到以上要求，則顯示的圖像就會完整、清晰[17]。如測試的圖像信號未達到以上要求，則需要排查相關線路及原始輸入。

2.2 原始視頻信號輸入

根據視頻電路的框架及原理，視頻電路本身是根據外圍輸入的原始視頻信號進行處理，因此需要確認輸入的原始視頻信號是否正常。為減少復雜的視頻圖像信號對示波器波形的干擾，須保證輸入的目標圖像信號盡量簡單、形狀要規則，其次目標背景要干凈。在調試中一般使用目標發生器為產品提供規則的正方形目標的模擬視頻信號。此時傳送的視頻信號中只有背景色和圖像目標信號，我們稱為原始圖像信號，在標準的視頻圖像信號波形中有同步信號、消隱信號以及圖像信號的波形。其中消隱信號分為場消隱信號和行消隱信號，其中行逆程期傳送行消隱信號，場逆程期傳送場消隱信號。場同步信號電平與行同步電平一致，脈寬為2.5個行周期，場同步脈沖前沿滯后場消隱脈沖前沿2.5個行周期，即1 604 μs，場同步信號周期為20 ms[18]。用示波器測試電路板的視頻輸入端，檢測輸入的視頻信號，如視頻信號異常則表明產品本身正常，如視頻信號正常則轉至測試視頻放大電路。

2.3 視頻信號放大電路

視頻信號放大電路作為一個統稱，也是電路中的關鍵部分，很容易受到各種因素的干擾，從而影響圖像畫面的顯示。其主要作用是對輸入的微弱視頻信號加以放大，以便輸送到后續電路中進行校正和補償，該功能是由運算放大器實現的，其放大倍數與運放外接的反饋電阻大小有關(放大倍數為反饋電阻和信號輸入端電阻阻值之比)，結果直接影響視頻圖像的亮度和清晰度。用示波器測試運算放大芯片的視頻輸入端和輸出端的視頻信號波形(波形形狀與步驟2中原始視頻信號輸入波形)進行對比，正常狀態下可以看到信號的形狀無變化，而信號波形的幅值有明顯增加。如測試點的信號出現異常，檢查該測試點匹配電阻阻值，若阻值與圖紙一致則更換運算放大器；如該項檢測的信號波形無問題則轉至測試同步信號。

2.4 同步信號分離測試

在電路中，同步信號分離是通過晶振和同步分離器分頻產生的，可以用示波器直接測試同步分離器的行、場同步信號波形(在電路圖中行同步信號用HS表示，場同步信號用VS表示)，行同步信號是一個幅值為+5 V，頻率周期為64 μs,脈沖寬度為4 μs的負脈沖信號，場同步信號則是一個幅值為+5 V，頻率周期為20 ms，脈沖寬度為164 μs的負脈沖信號。用示波器測試晶振的頻率信號、同步分離器的同步信號的波形以及電路板最后輸出級的HS信號和VS信號，如測試點的信號異常則更換該測試點元器件，如信號的頻率周期和寬度滿足上述要求則轉至測試數字信號處理電路。

2.5 數字信號處理

數字信號處理部分包括A/D轉換、數字信號處理、D/A轉換。在圖像處理電路中需將輸入的模擬視頻信號轉換成數字視頻信號才能夠對視頻信號進行編輯，而處理后的視頻信號必須轉換成模擬視頻信號才能通過顯示器顯示圖像。A/D轉換電路的作用就是將模擬視頻信號轉換成數字信號，D/A轉換則相反，是將數字信號轉換成模擬視頻信號。一般來說，A/D、D/A轉換是通過A/D、D/A芯片來完成的，在這里，我們要測試的就是A/D芯片中視頻的輸入信號、輸出的電平信號和D/A芯片中輸入的電平信號、視頻輸出信號，其中AD信號和DA信號會有多路信號(信號分為幾路根據集成電路的型號來確定)輸出和輸入，模擬視頻信號只有一路輸入和輸出，需對照相應的模數及數模集成電路的管腳定義使用示波器進行檢測，主要檢測時鐘信號、數據信號和同步信號是否對齊，若模/數集成電路的輸入的視頻信號正常而輸出的AD信號異常，則更換對應的模/數轉換集成電路；若模/數轉換集成電路的輸出AD信號正常而數/模轉換集成電路的DA信號異常，則更換數字信號處理集成電路；若數/模轉換集成電路的輸入DA信號正常而輸出的視頻信號異常，則更換對應的數/模轉換集成電路[19]。

通過利用故障樹分析法，列舉出圖像電路中不同故障的具體測試位置，測試的方法。根據視頻圖像電路的特點，按照輸出視頻信號測試、輸入視頻信號測試、放大信號測試、同步分離信號測試、數字信號測試的順序步驟進行檢測，為圖像電路中的視頻信號檢測、電路故障維修進行指導操作，從而達到快速檢測、快速故障定位和維修的目的。

3 檢測工裝設計與實現

結合上一章的設計要求及維修流程，本章將對檢測工裝設計進行簡要分析。檢測工裝由硬件平臺及軟件組成，可以通過更換電纜實現對不同跟蹤器產品的功能檢測及故障診斷，該工裝以PC機為核心架構擴展測試資源進行設計。檢測工裝的軟件采用VC開發，具備相應擴展功能以適應不同產品的維修檢測[20]。

為了便于分析，本章將對檢測工裝的設計及實現進行描述，其功能要求及故障定位方法如下所示。

3.1 視頻輸出

檢測工裝可以輸出不同對比度、大小的視頻圖像，通過相應接口輸出給視頻跟蹤器進行功能性能檢測。故障診斷維修過程中，視頻跟蹤器必須對滿足指標的目標進行穩定跟蹤。若出現跟蹤失敗，檢測工裝可以對輸出結果進行判斷，以判斷跟蹤性能。同時，回環測試電路對視頻跟蹤器的DSP數據與FPGA采集數據進行判斷，初步定位圖像接收故障還是信號處理軟件故障等。然后結合通信接口中通信握手功能進行DSP狀態判定。

3.2 視頻輸入功能

檢測工裝具備接收多路模擬或數字制式的視頻輸入信號，并能在檢測工裝的顯示終端顯示。操作手可以通過圖像的清晰度、跟蹤框、系統參數等信息判斷跟蹤器的狀態。同時，檢測工裝具備對輸出圖像的有無，及信號質量進行判斷功能。

3.3 供電功能

視頻跟蹤器的電源一般具備拉偏功能，檢測工裝必須穩定輸出電壓。例如，要求輸出+26 VDC電源，最大功率50 W，電源紋波要求不大于150 mV。檢測工裝就可以對電源進行供電。同時，跟蹤器上電后可以對內部各單元的電壓進行檢測，并通過測試口的串口上報給檢測工裝。

3.4 串口功能

檢測工裝對外的串口主要用于視頻跟蹤器通信及測試口內部狀態進行數據采集。例如，RS422串口采用標準電平，全雙工，異步，波特率：9 600 bps，啟始、停止位各1位，1位奇校驗，有效數據8位，低位在前，可以模擬系統設備發送數據給跟蹤器，視頻跟蹤器根據相應協議執行不同的任務。內外閉環數據收發，可以定位通信故障。

3.5 TTL開關量輸出

由于跟蹤器通常具備數字量和模擬量輸出，其中早期跟蹤器采用的模擬量比較廣泛，使用起來相對比較方便。為了兼容早期設備，檢測工裝設計了至少32路TTL開關量輸出。例如，單極性模擬量輸入的電壓范圍：0～+5 V，采用A/D變換方式檢測數字信號，精度±3%等。

以上分析表表明，本文設計的檢測工裝，接口簡單，不易損壞，可靠性得到提高，只使用鼠標點擊發送指令，并且還增加了自動測試功能，自動依次完成所有測試項。同時，該檢測設備可以自動顯示輸出電壓和信號，從而達到快速檢測、快速故障定位和維修的目的。

4 基于模塊化設計的視頻跟蹤器故障診斷檢測工裝應用分析

本文在所提方法的基礎上設計了一種檢測工裝，該工裝由工控機與上位機組成，其中定制的工控機具備多種輸入輸出視頻接口與通信接口，可根據不同項目需求自由組合。圖2為測試工裝與測試設備連接示意圖，其中XS1,XS2與XS3為跟蹤器面板上的電氣接口，可根據不同產品的差異進行定制，從而實現檢測工裝能適應不同類型的產品。

圖2 檢測工裝測試示意圖

上位機的測試界面如圖3所示。程序界面由“Channel A(第一通道視頻采集)”、“Channel B(第二通道視頻采集)”、 CCIR VF output”、 “Power output management”、“Mono-polarity analogue input”、“TTL input”、“Serial Data”、“Handle Test”“Auto Test”、“Advance”十部分功能模塊組成。

圖3 模擬視頻輸出軟件圖

不同項目的視頻跟蹤器的電纜連接上檢測工裝后，系統可自動檢測跟蹤器內部各線纜的通斷情況。一切正常后，由工控機為測試品供電，并開始相關功能性能測試。本章將對其中幾個主要功能模塊進行分析。

4.1 供電功能測試與診斷

不同測試品具有不同供電電壓與功耗要求，本文設計的工裝可以輸出5 V、12 V、28 V等電壓要求。圖4展示了不同電壓設置，其輸出電源可通過上位機控制切斷和連接。例如26 V電源輸出的最大功率50 W，電源紋波不大于150 mV。

圖4 電源管理

在測試時，通過“Power supply selection”對應的下拉菜單中可以根據需要選擇不同的的電壓值，然后點擊“Power On”，輸出電源電壓給被測設備供電。停止測試時，點擊“Power Off”斷開電源，切斷被測設備供電，如圖5所示。

圖5 上電

4.2 視頻輸入輸出功能測試與診斷

圖6為模擬視頻輸出控制組件，可以執行原始視頻輸入與復合視頻信號輸出測試。模擬視頻輸出CH1和CH2同時輸出相同視頻信號，在輸出信號時，點擊“…”，彈出視頻選擇界面，選擇輸出的XXX.yuv視頻文件，點擊“Start”按鈕發送視頻數據，在開始之后可點擊界面“Stop”停止輸出，再次點擊“Start”將繼續剛才停止位置播放。點擊“Replay”后，點擊“…”選擇另一個進行視頻文件發送或點擊“Start”從頭播放當前視頻。顯示屏收到輸出的視頻信號，在顯示屏上觀察輸出的視頻信號是否存在抖動、波紋、失真現象。該工裝還可以自動生成不同大小、對比度、運動速度的目標，便于進行視頻跟蹤器的性能測試[20]，如圖6所示。

圖6 3×2@12%目標跟蹤結果

4.3 串口通信功能測試與診斷

視頻跟蹤器具有多種類型的通信接口、如CAN、以太網等，本節主要分析串口通信功能測試與診斷。通信功能主要實現與外部組件信息交互。雖然不同產品通信協議不同，但上位機提供了擴展插件，可以為不同產品提供不同接口，實現通信功能測試與診斷。進入到視頻跟蹤器功能測試之后，可以打開對應插件選擇需要發送一組數據[21]，數據內容顯示在如圖7對話框。不同數據可以模擬光電系統給視頻跟蹤器發送控制指令與狀態指令。若被測產品按照發送的數據實現相應的功能，即合格，否則為不合格。

圖7 串口數據

4.4 功能測試與診斷

本文設計的檢測工裝包含不同控制指令與狀態指令的按鍵，可以測試產品的功能[22]。被測設備上電之后，默認為“Handle Test”模式，測試程序送出命令，設置初始狀態。圖2右下區域為功能區，其顯示綠色的按鈕為當前設置。改變輸出信號時，鼠標左鍵點擊對應信號按鍵，此按鍵將變成綠色，其相反狀態按鈕變白色。點擊“Auto test”按鈕則會彈出圖8所示的界面，根據不同的被測設備顯示界面內信號內容略有不同。

圖8 Automatic test操作界面

在開始自動測試之前，勾選需要測試信號，左側對話框將顯示選擇的信號，選擇完成后，點擊“Run”開始自動測試。測試時，每測試完一項，彈出確認對話框，由測試人員確認當前測試狀態是否正確，正確則進行下一條測試內容，錯誤將結束測試。從新選擇測試內容時，點擊“Clear”清空已選的測試內容，從新選擇測試項。每次測試完畢，如需要保存可點擊“Save”按鍵進行保存，如需打印測試結果可點擊“Print”，彈出打印界面后，設計打印機打印。

5 結束語

視頻跟蹤器是光電系統的重要組成部分，主要功能是接收紅外熱像儀與電視攝像機輸出的視頻圖像，根據系統指令，完成對目標進行搜索和跟蹤，輸出目標相對于視場中心的位置信息，驅動伺服完成穩定閉環跟蹤。本文通過解耦模型將視頻跟蹤器的功能及數據流進行劃分，并利用故障樹分析法自上而下進行測試流程與診斷模型構建，然后在其基礎上設計了一種檢測工裝，該工裝具有較高的適用性，能夠簡化檢驗與維修過程，降低操作的難度。