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01概述
本文主要是為了驗(yàn)證之前設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)發(fā)送模塊，確保之前的設(shè)計(jì)沒有問題，或者找到并修改存在的問題。工程的系統(tǒng)框圖如下所示，主要包含OV7725初始化模塊、像素?cái)?shù)據(jù)封裝處理模塊、FIFO、以太網(wǎng)模塊、鎖相環(huán)模塊。
圖1 系統(tǒng)框圖OV7725最多只能輸出640*480的60幀圖像數(shù)據(jù)，即每秒傳輸640*480*60*16bit=294912000bit=281Mb it數(shù)據(jù)，千兆以太網(wǎng)即使存在幀頭、幀間隙、校驗(yàn)碼等數(shù)據(jù)，傳輸速率也遠(yuǎn)大于281Mbit，所以不需要添加DDR3等外部存儲器存儲數(shù)據(jù)，只需要一個(gè)FIFO暫存小部分?jǐn)?shù)據(jù)即可。
本次使用原子的上位機(jī)對以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，實(shí)測當(dāng)上位機(jī)點(diǎn)擊打開按鈕后，上位機(jī)會通過以太網(wǎng)向FPGA發(fā)送一個(gè)長度為1的數(shù)據(jù)報(bào)，報(bào)文數(shù)據(jù)為8’h31，當(dāng)FPGA接收到數(shù)據(jù)后，即可向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。上位機(jī)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有格式要求，一幀數(shù)據(jù)的開始需要傳輸固定長度為4字節(jié)的幀頭數(shù)據(jù)32’h，然后需要傳輸一幀圖像的水平像素和垂直像素個(gè)數(shù)。
上位機(jī)才能夠在接收數(shù)據(jù)后正確顯示圖像。所以每幀圖像的開始需要多傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，一般規(guī)定每次傳輸一行數(shù)據(jù)，由于OV7725一行有640個(gè)像素，每個(gè)像素16位，而以太網(wǎng)每個(gè)時(shí)鐘傳輸8位數(shù)據(jù)，因此需要1280個(gè)時(shí)鐘才能傳輸完一次數(shù)據(jù)。第一行需要1288個(gè)時(shí)鐘才能全部傳輸。按理說FIFO的深度設(shè)置為2048即可，因?yàn)橛袝r(shí)候上位機(jī)可能會通過ARP獲取FPGA的MAC地址，導(dǎo)致FIFO中的數(shù)據(jù)不能及時(shí)被讀取發(fā)送，所以把FIFO的深度設(shè)置得稍微大一點(diǎn)，畢竟2048深度能夠充分利用構(gòu)成FIFO的RAM地址線吧。
整體設(shè)計(jì)思路是當(dāng)以太網(wǎng)接收到上位機(jī)發(fā)送的8’h31數(shù)據(jù)后，當(dāng)檢測到場同步信號的上升沿之后，當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于等于一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)時(shí)，且以太網(wǎng)發(fā)送模塊處于空閑，將UDP發(fā)送使能信號拉高，之后讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。OV7725攝像頭初始化和以太網(wǎng)發(fā)送模塊在前文均已經(jīng)做過詳細(xì)講解，本文需要著重設(shè)計(jì)的其實(shí)只有攝像頭的數(shù)據(jù)封裝模塊。
02圖像封裝處理模塊
上位機(jī)是原子開發(fā)的，據(jù)說點(diǎn)擊關(guān)閉后會向開發(fā)板發(fā)送8’h30，但是實(shí)測點(diǎn)擊關(guān)閉后并沒有向開發(fā)板發(fā)出指令，本處就默認(rèn)會發(fā)結(jié)束傳輸?shù)闹噶畎伞Ｉ衔粰C(jī)通過以太網(wǎng)向開發(fā)板發(fā)送8’h31后，F(xiàn)PGA開始通過以太網(wǎng)向上位機(jī)傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，開發(fā)板接收到上位機(jī)發(fā)送的8’h30后，F(xiàn)PGA停止向上位機(jī)傳輸圖片數(shù)據(jù)。上位機(jī)在檢測到4字節(jié)的幀頭數(shù)據(jù)后，才會接收數(shù)據(jù)并顯示圖像。上位機(jī)還要知道需要顯示圖像尺寸，因此在傳輸四字節(jié)的幀頭后，需要傳輸2字節(jié)的水平像素個(gè)數(shù)和2字節(jié)的垂直像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。下面通過代碼講解具體設(shè)計(jì)思路，首先當(dāng)FPGA接收到UDP數(shù)據(jù)報(bào)文長度為1，如果數(shù)據(jù)為8’h31，則將發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志信號拉高，如果數(shù)據(jù)為8’h30，則將發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志信號拉低，其余時(shí)間保持不變。由于以太網(wǎng)發(fā)送時(shí)鐘和以太網(wǎng)接收時(shí)鐘在FPGA內(nèi)部是同一個(gè)時(shí)鐘，因此后文以太網(wǎng)發(fā)送時(shí)鐘可以直接使用該信號，不屬于異步信號。
//解析接收以太網(wǎng)傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)，其實(shí)以太網(wǎng)發(fā)送時(shí)鐘和接收端的時(shí)鐘時(shí)同一個(gè)時(shí)鐘；
always@（posedge gmii_rx_clk）begin
if（rst_n==1‘b0）begin//初始值為0;
transfer_flag 《= 1’b0;
end
else if（udp_rx_data_vld && （udp_rx_data_num == 16‘d1））begin
if（udp_rx_data == 8’h31）//開始傳輸;
transfer_flag 《= 1‘b1;
else if（udp_rx_data == 8’h30）//停止傳輸;
transfer_flag 《= 1‘b0;
end
end
首先考慮FIFO的復(fù)位，因?yàn)閤ilinx的FIFO復(fù)位需要多個(gè)時(shí)鐘周期，因此使用了一個(gè)計(jì)數(shù)器，將復(fù)位脈沖拉高多個(gè)時(shí)鐘周期，調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器的位寬就可更改復(fù)位脈沖長度。當(dāng)上位機(jī)不接收數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)IFO一直處于復(fù)位狀態(tài)。每次檢測到場同步信號的上升沿，也會對FIFO進(jìn)行一次復(fù)位，清除FIFO中殘留數(shù)據(jù)，保證上次傳輸過程可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤不會影響下次傳輸，對應(yīng)代碼如下：
//后文主要思路：首先為了確保每幀數(shù)據(jù)的正確顯示，當(dāng)檢測到場同步信號的上升沿時(shí)，表示后面就是下一幀圖像數(shù)據(jù)了，此時(shí)把FIFO復(fù)位。
//xilinx的FIFO復(fù)位一般需要多個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)FIFO復(fù)位完成之后，就需要把幀頭和水平垂直的像素個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)寫入FIFO中；
//過段時(shí)間就會出現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)，就把圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO中。
//讀FIFO數(shù)據(jù)時(shí)需要注意，第一行數(shù)據(jù)包含幀頭等信息，會多8字節(jié)數(shù)據(jù)，從第二行開始就是正常的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。
//把場同步信號打兩拍，用于檢測場同步信號上升沿；
always@（posedge cam_pclk）begin
cam_vsync_r 《= {cam_vsync_r［0］，cam_vsync};
fifo_wrrst_busy_r 《= fifo_wrrst_busy;
end
assign cam_vsync_pos = cam_vsync_r［0］ & （~cam_vsync_r［1］）;//檢測場同步信號上升沿；
assign fifo_wrrst_busy_neg = fifo_wrrst_busy_r & （~fifo_wrrst_busy）;//檢測FIFO復(fù)位完成信號的下降沿；
//因?yàn)閤ilinx FIFO復(fù)位需要持續(xù)多個(gè)時(shí)鐘周期才能有效，所以需要一個(gè)計(jì)數(shù)器來輔助復(fù)位；
always@（posedge cam_pclk）begin
if（rst_n==1’b0）begin//初始值為0;
vsync_rst 《= 1‘b0;
end
else if（&rst_cnt）begin//復(fù)位計(jì)數(shù)器所有位均為高電平時(shí)拉低復(fù)位信號；
vsync_rst 《= 1’b0;
end//當(dāng)檢測到場同步信號上升沿時(shí)把FIFO復(fù)位信號拉高；
else if（cam_vsync_pos）begin
vsync_rst 《= 1‘b1;
end
end
//復(fù)位計(jì)數(shù)器，對復(fù)位脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，改變該計(jì)數(shù)器位寬即可更改復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間；
always@（posedge cam_pclk）begin
if（rst_n==1’b0）begin//初始值為0;
rst_cnt 《= 3‘d0;
end//對復(fù)位脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)。
else if（vsync_rst）begin
rst_cnt 《= rst_cnt + 1;
end
end
assign fifo_rst = （~transfer_flag） || vsync_rst;//FIFO復(fù)位信號；
當(dāng)FIFO復(fù)位完成之后，就將4字節(jié)幀頭數(shù)據(jù)、2字節(jié)水平和垂直像素?cái)?shù)據(jù)寫入FIFO中。因此需要一個(gè)標(biāo)志信號和一個(gè)計(jì)數(shù)器，對應(yīng)代碼如下。為了保證確保數(shù)據(jù)正確，標(biāo)志信號和計(jì)數(shù)器增加了清零的邏輯。
//寫入幀頭數(shù)據(jù)標(biāo)志信號，初始值為0，當(dāng)FIFO復(fù)位或者寫入全部幀頭后清零，當(dāng)FIFO復(fù)位完成后拉高；
always@（posedge cam_pclk）begin
if（rst_n==1’b0）begin//初始值為0;
head_flag 《= 1‘b0;
end//當(dāng)FIFO復(fù)位或者寫入全部幀頭后清零;
else if（vsync_rst || （&head_cnt））begin
head_flag 《= 1’b0;
end
else if（fifo_wrrst_busy_neg）begin//FIFO復(fù)位完成，開始向FIFO中寫入幀頭數(shù)據(jù)；
head_flag 《= 1‘b1;
end
end
//幀頭計(jì)數(shù)器，對幀頭標(biāo)志信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，因?yàn)樾枰?個(gè)數(shù)據(jù)，所以計(jì)數(shù)到7之后可以通過溢出清零；
always@（posedge cam_pclk）begin
if（rst_n==1’b0）begin//初始值為0;
head_cnt 《= 3‘d0;
end
else if（fifo_rst）begin//FIFO復(fù)位的時(shí)候?qū)^計(jì)數(shù)器清零；
head_cnt 《= 3’d0;
end
else if（head_flag）begin
head_cnt 《= head_cnt + 1;
end
end
//FIFO寫使能信號。
always@（posedge cam_pclk）begin
if（rst_n==1‘b0）begin//初始值為0;
fifo_wr_en 《= 1’b0;
end//當(dāng)幀頭寫入標(biāo)志有效或者輸入有效數(shù)據(jù)時(shí)拉高，其余時(shí)間均為低電平；
else begin
fifo_wr_en 《= （head_flag || cam_href） && （~fifo_wrrst_busy）;
end
end
//FIFO寫數(shù)據(jù)信號，向FIFO中寫入有效數(shù)據(jù)；
always@（posedge cam_pclk）begin
if（rst_n==1‘b0）begin//初始值為0;
fifo_wdata 《= 8’d0;
end
else if（head_flag）begin
case （head_cnt）//在輸出幀頭數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)計(jì)數(shù)器的值輸出對應(yīng)的數(shù)據(jù)；
3‘d0 ： fifo_wdata 《= IMG_FRAME_HEAD［31:24］;//幀頭;
3’d1 ： fifo_wdata 《= IMG_FRAME_HEAD［23:16］;//幀頭;
3‘d2 ： fifo_wdata 《= IMG_FRAME_HEAD［15： 8］;//幀頭;
3’d3 ： fifo_wdata 《= IMG_FRAME_HEAD［ 7： 0］;//幀頭;
3‘d4 ： fifo_wdata 《= {6’d0，CMOS_H_PIXEL［9： 8］};//水平方向分辨率;
3‘d5 ： fifo_wdata 《= CMOS_H_PIXEL［7： 0］;//水平方向分辨率;
3’d6 ： fifo_wdata 《= {7‘d0，CMOS_V_PIXEL［8］};//垂直方向分辨率;
3’d7 ： fifo_wdata 《= CMOS_V_PIXEL［7： 0］;//垂直方向分辨率;
default ： ;
endcase
end//像素?cái)?shù)據(jù)有效時(shí)，將像素?cái)?shù)據(jù)輸出；
else if（cam_href）begin
fifo_wdata 《= cam_data;
end
end
之后就是將接收的攝像頭數(shù)據(jù)寫入FIFO中，當(dāng)寫入幀頭標(biāo)志信號或者輸入圖像數(shù)據(jù)有效且FIFO不處于空閑狀態(tài)時(shí)，寫使能拉高。寫數(shù)據(jù)根據(jù)幀頭計(jì)數(shù)器寫入對應(yīng)幀頭數(shù)據(jù)，否則如果輸入像素?cái)?shù)據(jù)有效，則將對應(yīng)數(shù)據(jù)寫入FIFO。之后再來查看FIFO讀側(cè)邏輯，由于每幀數(shù)據(jù)開頭需要多傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，所以也需要檢測一幀的開始。因此把場同步信號同步到千兆網(wǎng)發(fā)送時(shí)鐘域下，并且檢測其上升沿。
//把場同步信號同步到以太網(wǎng)發(fā)送時(shí)鐘域下，然后檢測其上升沿，所以需要將場同步信號延遲三個(gè)時(shí)鐘周期。
//延遲的前兩個(gè)時(shí)鐘周期用于同步，后一個(gè)時(shí)鐘周期用于檢測上升沿；
always@（posedge gmii_tx_clk）begin
cam_vsync_txc_r 《= {cam_vsync_txc_r［1:0］，cam_vsync};
end
//在以太網(wǎng)發(fā)送時(shí)鐘域下檢測cam_vsync信號上升沿；
assign cam_vsync_txc_pos = cam_vsync_txc_r［1］ & （~cam_vsync_txc_r［2］）;
如果檢測到場同步信號上升沿，表示一幀圖像傳輸?shù)拈_始，那么需要發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為水平像素點(diǎn)*2+8，乘2是因?yàn)橐粋€(gè)水平像素點(diǎn)包含16位數(shù)據(jù)，而千兆網(wǎng)一個(gè)時(shí)鐘只能發(fā)送8位。當(dāng)檢測到以太網(wǎng)發(fā)送使能信號有效時(shí)，表示已經(jīng)發(fā)送過一次數(shù)據(jù)了，即幀頭被發(fā)送，那么后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)就不包含幀頭，會少8字節(jié)數(shù)據(jù)。
//以太網(wǎng)每次發(fā)送數(shù)據(jù)的報(bào)文長度，單位字節(jié)。
always@（posedge gmii_tx_clk）begin
if（rst_n==1‘b0）begin//初始值為0;
udp_tx_data_num 《= {CMOS_H_PIXEL，1’b0};
end
else if（cam_vsync_txc_pos）begin//第一行數(shù)據(jù)需要多傳輸8個(gè)字節(jié)的幀頭數(shù)據(jù)；
udp_tx_data_num 《= {CMOS_H_PIXEL，1‘b0} + 16’d8;
end
else if（udp_tx_en）//其余行正常傳輸數(shù)據(jù)，由于像素點(diǎn)為16位數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)每次傳輸8位數(shù)據(jù)，所以實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)是水平像素點(diǎn)的2倍；
udp_tx_data_num 《= {CMOS_H_PIXEL，1‘b0};
end
最后是以太網(wǎng)發(fā)送使能信號，當(dāng)以太網(wǎng)發(fā)送模塊處于空閑且FIFO不處于復(fù)位狀態(tài)且FIFO中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)且發(fā)送標(biāo)志信號有效時(shí)才能進(jìn)行發(fā)送。
//生成UDP發(fā)送使能信號；
always@（posedge gmii_tx_clk）begin
if（rst_n==1’b0）begin//初始值為0;
udp_tx_en 《= 1‘b0;
end
else begin//當(dāng)UDP發(fā)送模塊處于空閑且FIFO中的數(shù)據(jù)大于一次發(fā)送所需數(shù)據(jù)且FIFO不處于復(fù)位狀態(tài)，則將使能信號拉高，其余時(shí)間使能信號均為低電平；
udp_tx_en 《= （udp_tx_rdy && （fifo_rdusedw 》= udp_tx_data_num） && （~fifo_rdrst_busy） && transfer_flag）;
end
end
03頂層模塊
頂層模塊跟以前一樣，主要就是對各個(gè)模塊的引腳進(jìn)行連接，對應(yīng)的RTL視圖如下所示。
圖2 頂層模塊RTL視圖注意power_en信號只是控制模塊開關(guān)電源工作的信號，只與固定模塊有關(guān)，不使用該模塊可以不考慮。04上板實(shí)測
將上述工程的ILA注釋取消，然后進(jìn)行綜合，下載到開發(fā)板上，開發(fā)板環(huán)境如下所示，連接攝像頭和網(wǎng)線。
圖3 硬件開發(fā)環(huán)境之后打開Wireshark工具，打開原子的上位機(jī)軟件，進(jìn)行如下設(shè)置。接收圖像格式為RGB565的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，目的IP、UDP端口地址等設(shè)置需要與工程頂層模塊的對應(yīng)參數(shù)保持一致。
圖4 上位機(jī)設(shè)置然后點(diǎn)擊上位機(jī)的打開按鈕，通過Wireshark軟件抓取數(shù)據(jù)如下圖所示，首先上位機(jī)會先向FPGA開發(fā)板發(fā)送2個(gè)長度為1的UDP報(bào)文。如果上位機(jī)沒有綁定開發(fā)板的MAC地址和IP地址，還會發(fā)送ARP請求，由于篩選的關(guān)系，此處看不見ARP請求數(shù)據(jù)報(bào)文。
圖5 wireshark抓取數(shù)據(jù)之后FPGA開始向上位機(jī)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，第一幀數(shù)據(jù)長度為1288，之后數(shù)據(jù)長度均為1280。如下圖所示，第一幀雖然包含幀頭，但是數(shù)據(jù)其實(shí)是錯(cuò)誤的。錯(cuò)誤的原因在于上位機(jī)可能在任何時(shí)候發(fā)起開始信號，有可能在一幀圖像的中間開始傳輸數(shù)據(jù)，這樣導(dǎo)致FIFO中的數(shù)據(jù)其實(shí)是溢出了很多的，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤。
圖6 wireshark抓取錯(cuò)誤數(shù)據(jù)但是第二幀開始時(shí)FIFO會復(fù)位清空，然后就能正常傳輸數(shù)據(jù)了，因此沒有去做修改。在wireshark中可以通過frame.len》=1330去篩選報(bào)文長度，進(jìn)而可以查看全部長度為1288的報(bào)文，點(diǎn)擊第二幀數(shù)據(jù)的第一個(gè)報(bào)文。發(fā)現(xiàn)幀頭和分辨率都顯示正確，沒有問題。
圖7 wireshark第二幀第一行報(bào)文之后將ILA設(shè)置抓取第一行數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)序，當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)等于1288時(shí)，產(chǎn)生UDP使能信號，下個(gè)時(shí)鐘周期需要發(fā)送報(bào)文長度變?yōu)?280。
圖8 ILA抓取第一行數(shù)據(jù)讀出數(shù)據(jù)如下圖所示，幀頭數(shù)據(jù)和像素尺寸均與設(shè)置保持一致，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有問題。
圖9 ILA抓取幀頭數(shù)據(jù)還可以抓一下FIFO復(fù)位之后的時(shí)序，如下圖所示，當(dāng)檢測到場同步信號上升沿后，將FIFO復(fù)位信號拉高幾個(gè)時(shí)鐘周期，等FIFO復(fù)位結(jié)束之后，將第一行需要發(fā)送的幀頭數(shù)據(jù)寫入FIFO中，之后就等待需要寫入FIFO的像素?cái)?shù)據(jù)到來即可。
圖10 ILA抓取復(fù)位時(shí)序最后來查看一下攝像頭傳輸?shù)男Ч桑缦旅嬉曨l所示，由上位機(jī)顯示結(jié)果可知，幀率維持在30左右，與前文的計(jì)算能夠?qū)?yīng)。
圖11 上板結(jié)果及幀率如果想要提高幀率，只需要修改PCLK時(shí)鐘頻率就行，目前為24MHz，如果將PCLK頻率更改為48MHz，那么幀率可以達(dá)到60幀。修改方式如下圖所示，在初始化OV7725攝像頭寄存器時(shí)，只需要將地址為8’h0d的高兩位改為2’b11即可。
圖12 修改攝像頭芯片鎖相環(huán)倍頻系數(shù)
只是需要注意一個(gè)問題，就是原子的這個(gè)上位機(jī)軟件點(diǎn)擊“關(guān)閉”之后，并不會向開發(fā)板發(fā)送以太網(wǎng)報(bào)文，這個(gè)可以通過wireshrak軟件去抓，實(shí)際上抓不到任何報(bào)文。只是上位機(jī)軟件不會接收圖像數(shù)據(jù)了而已，可能是開發(fā)者忘記了這個(gè)功能吧。05總結(jié)
本文將OV7725圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C端上位機(jī)進(jìn)行顯示，由于前文實(shí)現(xiàn)了攝像頭數(shù)據(jù)采集和以太網(wǎng)收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)，本文只需要將攝像頭采集的圖像封裝成上位機(jī)顯示圖像的格式即可，總體比較簡單。為了確保上一幀圖像的錯(cuò)誤傳輸不會影響下一幀數(shù)據(jù)，每次檢測到場同步信號之后，需要復(fù)位FIFO，將FIFO清空，然后寫入幀頭數(shù)據(jù)，之后將圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO。每當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)超過一行圖像數(shù)據(jù)時(shí)，向以太網(wǎng)發(fā)送模塊的使能信號拉高，然后讀取FIFO中的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)。
審核編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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