淺談千兆網(wǎng)接口的攝像機設計與實(shí)現

1 引 言

隨著(zhù)監控系統在商用民用的日漸普及，監控系統主要由前端監視設備、傳輸設備、后端控制顯示設備這三大部分組成，其中后端設備可進(jìn)一步分為中心控制設備和分控制設備。前、后端設備有多種構成方式，它們之間的聯(lián)系（也可稱(chēng)作傳輸系統）可通過(guò)電纜、光纖或微波等多種方式來(lái)實(shí)現。視頻監控攝像機廣泛應用于居民住宅、樓盤(pán)別墅、商場(chǎng)店鋪、財務(wù)室。每個(gè)不同的應用領(lǐng)域，需要有不同類(lèi)型的監控攝像機。傳統的監控攝像機圖像分辨率低，難以滿(mǎn)足一些有特殊要求的應用場(chǎng)合。利用網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現對高分辨率高幀率視頻圖像傳輸是視頻監控系統的一種重要思想。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，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?xún)r(jià)比芯片EP2C20F256C6N.系統工作頻率為100M.圖像傳感器的數據首先在FIFO里緩沖后暫存于SDRAM,在網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)將暫存的圖像數據經(jīng)FIFO2緩沖后送MAC芯片，再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。

CMOS芯片中文名稱(chēng)：互補型金屬氧化物半導體 芯片類(lèi)型：隨即存貯器（斷電會(huì )丟失數據的那種）容量：128~256字節是一種低耗電存儲器，其主要作用是用來(lái)存放BIOS中的設置信息以及系統時(shí)間日期。應該把它和BIOS芯片區別開(kāi)。早期的CMOS芯片是一塊單獨的芯片MC146818A（DIP封裝），共有64個(gè)字節存放系統信息。386以后的微機一般將 MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中（如82C206,PQFP封裝），586以后主板上更是將CMOS與系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘和后備電池集成到一塊叫做DALLDA DS1287的芯片中。隨著(zhù)微機的發(fā)展、可設置參數的增多，現在的CMOS ROM一般都有128字節及至256字節的容量。CMOS芯片選用MICRON TECHNOLOGY的MT9P031,在500萬(wàn)像素的滿(mǎn)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(wàn)像素時(shí)可緩存10幀以上圖像數據。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(lèi)網(wǎng)線(xiàn)與計算機千兆網(wǎng)卡相連。

3 千兆網(wǎng)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(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，如消費電子和家庭網(wǎng)絡(luò )等。AX88180內置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(wǎng)絡(luò )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(jìn)行封包的存儲、檢索與修改；內置256字節的配置寄存器，用于主機控制和參數設置；內置EEP-ROM接口；圖2為AX88180及PHY芯片88E1111的連接圖。

3.1 千兆網(wǎng)接口初始化

對千兆網(wǎng)接口的初始非常重要，如果初始化不正確，系統將無(wú)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(yǔ)言完成。Verilog HDL是目前應用最為廣泛的硬件描述語(yǔ)言。Verilog HDL可以用來(lái)進(jìn)行各種層次的邏輯設計，也可以進(jìn)行數字系統的邏輯綜合，仿真驗證和時(shí)序分析等。Verilog HDL適合算法級，寄存器級，邏輯級，門(mén)級和版圖級等各個(gè)層次的設計和描述。Verilog HDL進(jìn)行設計最大的優(yōu)點(diǎn)是其工藝無(wú)關(guān)性。這使得工程師在功能設計，邏輯驗證階段可以不必過(guò)多考慮門(mén)級及工藝實(shí)現的具體細節，只需根據系統設計的要求施加不同的約束條件，即可設計出實(shí)際電路。具體代碼可參考亞信公司的驅動(dòng)程序代碼，應注意初始化時(shí)需要加入一些固定的延時(shí)以確定芯片正常工作。

3.2 圖像數據的封包

當圖像的分辨率為2048×1536時(shí)，一個(gè)UDP數據包包含1024字節的圖像數據和兩個(gè)bytes圖像行編號。當計算機收到數據包時(shí)，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。以下這FPGA寫(xiě)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(xiě)三次

　　'd3: w_dd = 'h1111;//源MAC地址，均為0x1111,寫(xiě)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(cháng)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(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數據長(cháng)度

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

　　'd21:w_dd = row_num;//圖像行信息從0開(kāi)開(kāi)始

　　default:w_dd = w_dd;

　　endcase

3.3 應用程序設計

由于大量數據在網(wǎng)絡(luò )上傳輸，用SOCKET的方式來(lái)獲圖像數據包已經(jīng)比較困難，丟包率會(huì )比較高。采用Winpcap來(lái)捕獲網(wǎng)絡(luò )上的數據包，可有效的減少丟包率。

　　第一步，指定要通信的網(wǎng)卡設備并打開(kāi)。

　　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(hù)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） 0）{

　　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(kāi)啟一個(gè)線(xiàn)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(huì )被調用，直到線(xiàn)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(méi)有處理包頭，直接處理數據。

4 總結

兆網(wǎng)接口攝像機，網(wǎng)絡(luò )傳輸有效數據帶寬達400Mb/s以上，較好的解決了百兆網(wǎng)傳輸帶寬不足、數據傳輸速度慢的問(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%.winpcap的主要功能在于獨立于主機協(xié)議（如TCP-IP）而發(fā)送和接收原始數據包。也就是說(shuō)，winpcap不能阻塞，過(guò)濾或控制其他應用程序數據包的發(fā)收，它僅僅只是監聽(tīng)共享網(wǎng)絡(luò )上傳送的數據包。因此，它不能用于QoS調度程序或個(gè)人防火墻。目前，winpcap開(kāi)發(fā)的主要對象是windows NT/2000/XP,這主要是因為在使用winpcap的用戶(hù)中只有一小部分是僅使用windows 95/98/Me,并且MS也已經(jīng)放棄了對win9x的開(kāi)發(fā)。