基于千兆網接口攝像機設計

1?引?言

??????隨著監(jiān)控系統(tǒng)在商用民用的日漸普及，監(jiān)控攝像機被廣泛應用在各個領域，為社會治安保駕護航。視頻監(jiān)控攝像機廣泛應用于居民住宅、樓盤別墅、商場店鋪、財務室。每個不同的應用領域，需要有不同類型的監(jiān)控攝像機。傳統(tǒng)的監(jiān)控攝像機圖像分辨率低，難以滿足一些有特殊要求的應用場合。利用網絡來實現對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。但百兆網傳輸帶寬不足、數據傳輸速度太慢嚴重制約了其在監(jiān)控領域的應用。針對這一問題，本文提出了基于千兆以太網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，提高了視頻圖像的傳輸速度。?

2?硬件總體設計

??????硬件總體框架如上圖，主控制器FPGA選用altera公司高性價比芯片EP2C20F256C6N。系統(tǒng)工作頻率為100M。圖像傳感器的數據首先在FIFO里緩沖后暫存于SDRAM，在網絡空閑時將暫存的圖像數據經FIFO2緩沖后送MAC芯片，再發(fā)送到網絡上。

??????CMOS芯片選用Micron?Technology的MT9P031，在500萬像素的滿分辨率下最高可輸出14幀的圖像數據。?SDRAM選用W982516BH-75，容量為32Mbytes,g與FPGA內部FIFO結合可設計為32Mbytes的大容量循環(huán)緩存，在圖像分辨率為300萬像素時可緩存10幀以上圖像數據。千兆網接口MAC芯片選用AX88180，物理層芯片選用88E1111，再通過網絡變壓器及RJ45用六類網線與計算機千兆網卡相連。

3?千兆網接口設計

??????AX88180是亞信公司推出的一款高性能低成本的Non-PCI千兆以太網控制器,適用于多種需要高速接入網絡的嵌入式系統(tǒng),如消費電子和家庭網絡等。AX88180內置10/100/1000?Mb/s以太網媒體存取控制器（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內置10/100/1000?Mb/s以太網媒體存取控制器（MAC）,與PHY之間采用RGMII接口;內置主機接口控制器,可以與16/32位主機方便連接尋址方式與SRAM相同;內置40?KB?SRAM網絡封包緩存器,其中32?KB用于從PHY接收數據包,KB用于主機發(fā)送數據包到PHY,可以用高效方式進行封包的存儲、檢索與修改;內置256字節(jié)的配置寄存器,用于主機控制和參數設置;內置EEP-ROM接口;內置IP/TCP/UDP?校驗和大大減小微控制器的運算負載,改善傳輸反應時間。圖2為AX88180及PHY芯片88E1111的連接圖。

3.1?千兆網接口初始化

??????對千兆網接口的初始非常重要，如果初始化不正確，系統(tǒng)將無法正常工作。對接口的初始化主要包括對AX88180和88E1111的初始化。

代碼用verilog語言完成。具體代碼可參考亞信公司的驅動程序代碼，應注意初始化時需要加入一些固定的延時以確定芯片正常工作。

3.2?圖像數據的封包

??????當圖像的分辨率為2048×1536時，一個UDP數據包包含1024字節(jié)的圖像數據和兩個bytes圖像行編號。當計算機收到數據包時，根據圖像行編號信息放入對應的內存中，可以很方便的組合成一副完整的圖像。并且，采用行編號的形式，還可防止某一兩個數據包丟失后導致整副圖像都無法顯示的問題。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
‘d7:?w_dd?<=?‘h0045;//固定數據VIP4,
‘d8:?w_dd?<=?‘h1E04;//IP包總長度1026+28,并且高低8位交換
‘d9:?w_dd?<=?‘h0;//ID號,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,固定
‘d12:w_dd?<=?‘h0;//ＩＰ校驗和，由MAC芯片自動生成
‘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數據長度
‘d20:w_dd?<=?‘h0;////校驗和由AX88180自動生成
‘d21:w_dd?<=?row_num;//圖像行信息從０開開始
default:w_dd?<=?w_dd;
endcase

3.3?應用程序設計

??????由于大量數據在網絡上傳輸，用SOCKET的方式來獲圖像數據包已經比較困難，丟包率會比較高。采用Winpcap來捕獲網絡上的數據包，可有效的減少丟包率。用Winpcap編寫程序需要安裝開發(fā)包及驅動程序。

第一步，指定要通信的網卡設備并打開。

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的數據
bpf_u_int32?NetMask?=?0xFFFFFF;
struct?bpf_program?fcode;
if（pcap_compile（m_pcap,?&fcode,?filter,?1,?NetMask）???AfxMessageBox（"nError?compiling?filter:?wrong?syntax"）;
??pcap_close（m_pcap）;??return?FALSE;?｝?
if（pcap_setfilter（m_pcap,?&fcode）<0）｛
??AfxMessageBox（"nError?setting?the?filtern"）;
??pcap_close（m_pcap）;?return?FALSE;?｝????
pcap_freealldevs（alldevs）;?//?釋放alldev資源??
return?TRUE;｝

第二步：開啟一個線程接收數據。

UINT??RecvProc（LPVOID?lpParammeter）
｛?pcap_loop（m_pcap,?0,?packet_handler,?NULL）;?return?0;｝
packet_handler是處理收到數據包的回調函數，?當從port6000收到數據后它會被調用，直到線程終止。

第三步：處理收到的數據

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，直接處理數據。

4?總結

??????兆網接口攝像機，網絡傳輸有效數據帶寬達400Mb/s以上，較好的解決了百兆網傳輸帶寬不足、數據傳輸速度慢的問題。傳輸300萬像素不進行壓縮的原始圖像，幀率可達18幀／秒，視頻流暢清晰。計算機采用Winpcap捕獲圖像數據，丟包率小于0.02%。