摘要：介紹了千兆網(wǎng)接口攝像機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案，利用FPGA強(qiáng)大的可編程和并行處理能力，較大限度的利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬；提出用Winpcap獲取圖像數(shù)據(jù)，有效提高了數(shù)據(jù)包的捕獲率；設(shè)計(jì)的高分辨率高幀率攝像機(jī)畫面清晰流暢。

關(guān)鍵字：千兆網(wǎng)；攝像機(jī)；FPGA;

1 引 言

      隨著監(jiān)控系統(tǒng)在商用民用的日漸普及，監(jiān)控?cái)z像機(jī)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，為社會(huì)治安保駕護(hù)航。視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)廣泛應(yīng)用于居民住宅、樓盤別墅、商場(chǎng)店鋪、財(cái)務(wù)室。每個(gè)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，需要有不同類型的監(jiān)控?cái)z像機(jī)。傳統(tǒng)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)圖像分辨率低，難以滿足一些有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合。利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率高幀率視頻圖像傳輸是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一種重要思想。但百兆網(wǎng)傳輸帶寬不足、數(shù)據(jù)傳輸速度太慢嚴(yán)重制約了其在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了基于千兆以太網(wǎng)傳輸視頻圖像并充分利用了FPGA并行處理和SDRAM高速緩存的優(yōu)勢(shì)，提高了視頻圖像的傳輸速度。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

      硬件總體框架如上圖，主控制器FPGA選用altera公司高性價(jià)比芯片EP2C20F256C6N。系統(tǒng)工作頻率為100M。圖像傳感器的數(shù)據(jù)首先在FIFO里緩沖后暫存于SDRAM，在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)將暫存的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO2緩沖后送MAC芯片，再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

      CMOS芯片選用Micron Technology的MT9P031，在500萬(wàn)像素的滿分辨率下最高可輸出14幀的圖像數(shù)據(jù)。 SDRAM選用W982516BH-75，容量為32Mbytes,g與FPGA內(nèi)部FIFO結(jié)合可設(shè)計(jì)為32Mbytes的大容量循環(huán)緩存，在圖像分辨率為300萬(wàn)像素時(shí)可緩存10幀以上圖像數(shù)據(jù)。千兆網(wǎng)接口MAC芯片選用AX88180，物理層芯片選用88E1111，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器及RJ45用六類網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)千兆網(wǎng)卡相連。

3 千兆網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

      AX88180是亞信公司推出的一款高性能低成本的Non-PCI千兆以太網(wǎng)控制器,適用于多種需要高速接入網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng),如消費(fèi)電子和家庭網(wǎng)絡(luò)等。AX88180內(nèi)置10/100/1000 Mb/s以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC),符合IEEE 802.3/IEEE 802.3u/IEEE 802.3ab協(xié)議,可與一般16/32位微控制器連接,其操作與SRAM相同。AX88180內(nèi)置10/100/1000 Mb/s以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC),與PHY之間采用RGMII接口;內(nèi)置主機(jī)接口控制器,可以與16/32位主機(jī)方便連接尋址方式與SRAM相同;內(nèi)置40 KB SRAM網(wǎng)絡(luò)封包緩存器,其中32 KB用于從PHY接收數(shù)據(jù)包,KB用于主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包到PHY,可以用高效方式進(jìn)行封包的存儲(chǔ)、檢索與修改;內(nèi)置256字節(jié)的配置寄存器,用于主機(jī)控制和參數(shù)設(shè)置;內(nèi)置EEP-ROM接口;內(nèi)置IP/TCP/UDP 校驗(yàn)和大大減小微控制器的運(yùn)算負(fù)載,改善傳輸反應(yīng)時(shí)間。圖2為AX88180及PHY芯片88E1111的連接圖。

3.1 千兆網(wǎng)接口初始化

      對(duì)千兆網(wǎng)接口的初始非常重要，如果初始化不正確，系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。對(duì)接口的初始化主要包括對(duì)AX88180和88E1111的初始化。代碼用verilog

      語(yǔ)言完成。具體代碼可參考亞信公司的驅(qū)動(dòng)程序代碼，應(yīng)注意初始化時(shí)需要加入一些固定的延時(shí)以確定芯片正常工作。

3.2 圖像數(shù)據(jù)的封包

      當(dāng)圖像的分辨率為2048×1536時(shí)，一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包包含1024字節(jié)的圖像數(shù)據(jù)和兩個(gè)bytes圖像行編號(hào)。當(dāng)計(jì)算機(jī)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)圖像行編號(hào)信息放入對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中，可以很方便的組合成一副完整的圖像。并且，采用行編號(hào)的形式，還可防止某一兩個(gè)數(shù)據(jù)包丟失后導(dǎo)致整副圖像都無(wú)法顯示的問(wèn)題。以下這FPGA寫入AX88180的UDP包頭代碼。

case(param_num)

 'd0: w_dd <= 'hFFFF;//目的MAC地址（廣播地址），寫三次

 'd3: w_dd <= 'h1111;//源MAC地址，均為0x1111,寫三次

  'd6: w_dd <= 'h0008;//協(xié)議號(hào)

'd7: w_dd <= 'h0045;//固定數(shù)據(jù)VIP4,

'd8: w_dd <= 'h1E04;//IP包總長(zhǎng)度1026+28,并且高低8位交換

 'd9: w_dd <= 'h0;//ID號(hào),始終為０

'd10:w_dd <= 'h0;//fragment offset始終為０;

'd11:w_dd <= 'h1140;//生存期和協(xié)議號(hào),固定

'd12:w_dd <= 'h0;//ＩＰ校驗(yàn)和，由MAC芯片自動(dòng)生成

'd13:w_dd <= 'hA8C0;//源IP，固定為192.168.1.204

'd14:w_dd <= 'hCC01;

 'd15:w_dd <= 'hFFFF;//目的IP，任意

 'd16:w_dd <= 'hFFFF;

 'd17:w_dd <= 'h7017;//源端口，固定為6000

 'd18:w_dd <= 'h7017;// 目的端口，固定為6000

 'd19:w_dd <= 'h0A04;//UDP數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

'd20:w_dd <= 'h0;////校驗(yàn)和由AX88180自動(dòng)生成

'd21:w_dd <= row_num;//圖像行信息從０開開始

default:w_dd <= w_dd;

 endcase

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

      由于大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，用SOCKET的方式來(lái)獲圖像數(shù)據(jù)包已經(jīng)比較困難，丟包率會(huì)比較高。采用Winpcap來(lái)捕獲網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包，可有效的減少丟包率。用Winpcap編寫程序需要安裝開發(fā)包及驅(qū)動(dòng)程序。

第一步，指定要通信的網(wǎng)卡設(shè)備并打開。

BOOL InitWpcap(){

 pcap_if_t* alldevs;

 pcap_if_t* d;

 char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];

 if(pcap_findalldevs(&alldevs, errbuf) == -1){

  AfxMessageBox(“Error in pcap_findalldevs”);

  return FALSE; }

// 枚舉網(wǎng)卡然后添加到用戶選擇的ComboBox中,代碼省略

char *filter = "port 6000";//只接收端口6000的數(shù)據(jù)

 bpf_u_int32 NetMask = 0xFFFFFF;

 struct bpf_program fcode;

 if(pcap_compile(m_pcap, &fcode, filter, 1, NetMask) < 0){

  AfxMessageBox("nError compiling filter: wrong syntax");

  pcap_close(m_pcap);  return FALSE; }

 if(pcap_setfilter(m_pcap, &fcode)<0){

  AfxMessageBox("\nError setting the filter\n");

  pcap_close(m_pcap); return FALSE; }   

 pcap_freealldevs(alldevs); // 釋放alldev資源 

 return TRUE;}

第二步：開啟一個(gè)線程接收數(shù)據(jù)。

UINT  RecvProc(LPVOID lpParammeter)

{ pcap_loop(m_pcap, 0, packet_handler, NULL); return 0;}

 packet_handler是處理收到數(shù)據(jù)包的回調(diào)函數(shù)， 當(dāng)從port6000收到數(shù)據(jù)后它會(huì)被調(diào)用，直到線程終止。

第三步：處理收到的數(shù)據(jù)

void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data){

 const u_char *real_data = pkt_data+42;

 int row=real_data[0]+(real_data[1]<<8); }//這里就沒有處理包頭，直接處理數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

      本文設(shè)計(jì)的千兆網(wǎng)接口攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)傳輸有效數(shù)據(jù)帶寬達(dá)400Mb/s以上，較好的解決了百兆網(wǎng)傳輸帶寬不足、數(shù)據(jù)傳輸速度慢的問(wèn)題。傳輸300萬(wàn)像素不進(jìn)行壓縮的原始圖像，幀率可達(dá)18幀／秒，視頻流暢清晰。計(jì)算機(jī)采用Winpcap捕獲圖像數(shù)據(jù)，丟包率小于0.02%。