摘要：介紹了千兆網接口攝像機硬件設計方案，利用FPGA強大的可編程和并行處理能力，較大限度的利用了網絡帶寬；提出用Winpcap獲取圖像數據，有效提高了數據包的捕獲率；設計的高分辨率高幀率攝像機畫面清晰流暢。

關鍵字：千兆網；攝像機；FPGA;

1 引 言

      隨著監控系統在商用民用的日漸普及，監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控攝像機。傳統的監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控系統的一種重要思想。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,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) < 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

      本文設計的千兆網接口攝像機，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%。