基于千兆網(wǎng)接口攝像機(jī)設(shè)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(jī)被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，為社會治安保駕護(hù)航。視頻監(jiān)控攝像機(jī)廣泛應(yīng)用于居民住宅、樓盤別墅、商場店鋪、財務(wù)室。每個不同的應(yīng)用領(lǐng)域，需要有不同類型的監(jiān)控攝像機(jī)。傳統(tǒng)的監(jiān)控攝像機(jī)圖像分辨率低，難以滿足一些有特殊要求的應(yīng)用場合。利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)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(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。針對這一問題，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，提高了視頻圖像的傳輸速度。 

2 硬件總體設(shè)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(shù)據(jù)首先在FIFO里緩沖后暫存于SDRAM，在網(wǎng)絡(luò)空閑時將暫存的圖像數(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(shù)據(jù)。千兆網(wǎng)接口MAC芯片選用AX88180，物理層芯片選用88E1111，再通過網(wǎng)絡(luò)變壓器及RJ45用六類網(wǎng)線與計算機(jī)千兆網(wǎng)卡相連。

3 千兆網(wǎng)接口設(shè)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(tǒng),如消費電子和家庭網(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、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 校驗和大大減小微控制器的運算負(fù)載,改善傳輸反應(yīng)時間。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(qū)動程序代碼，應(yīng)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(shù)據(jù)的封包

      當(dāng)圖像的分辨率為2048×1536時，一個UDP數(shù)據(jù)包包含1024字節(jié)的圖像數(shù)據(jù)和兩個bytes圖像行編號。當(dāng)計算機(jī)收到數(shù)據(jù)包時，根據(jù)圖像行編號信息放入對應(yīng)的內(nèi)存中，可以很方便的組合成一副完整的圖像。并且，采用行編號的形式，還可防止某一兩個數(shù)據(jù)包丟失后導(dǎo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)用程序設(shè)計

      由于大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，用SOCKET的方式來獲圖像數(shù)據(jù)包已經(jīng)比較困難，丟包率會比較高。采用Winpcap來捕獲網(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 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(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)

      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)傳輸速度慢的問題。傳輸300萬像素不進(jìn)行壓縮的原始圖像，幀率可達(dá)18幀／秒，視頻流暢清晰。計算機(jī)采用Winpcap捕獲圖像數(shù)據(jù)，丟包率小于0.02%。