FPGA设计——CMOS图像采集与以太网传输显示(OV7670)-白红宇

1. 概述

本设计采用FPGA技术，将CMOS摄像头(DVP接口)的视频数据采集，并通过以太网传输(UDP方式)给PC机，上位机DEMO通过套接字编程，将视频实时显示在屏幕上。

2. 硬件系统框图

CMOS采用OV7670(30万像素)，FPGA采用ALTERA公司的CYCLONE IV，以太网卡采用REALTK公司的100M网卡芯片。

硬件平台采用ETree的FPGA开发板(某宝提供)，如下图所示：

3. UDP/IP协议

UDP(User Datagram Protocol)是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。UDP协议经常用于图像传输、网络监控数据交换等数据传输速度要求比较高的场合。

UDP报文格式
0 15	16 31
源端口号	目的端口号
报文长度	校验和
数据

IP(Internet Protoco)包位于网络层，功能是把分组发往目标网络或主机。所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的数据都以IP数据格式传输。

以太网的数据帧的传输过程中，包长一般在46～1500字节，这里将UDP包长设计为：(8+20+640*2)=1308字节，以提高传输效率。

4. FPGA逻辑设计

FPGA各部分逻辑模块如下图所示：

CMOS Capture，采集CMOS的DVP视频流；

I2C Config，配置CMOS芯片；

FIFO，实现CMOS时钟域到以太网时钟域之间的转换；

UDP Pack，实现UDP/IP协议的实现。

下面为OV7670的初始化配置代码：

                         
//file name：           i2c_cfg_par.v
//creator:          shugen.yin
//date:             2017-4-21
//function:         i2c registers
//log:              VGA RAW/25FPS, XCLK=24M
module i2c_cfg_par(
    
input  [07:0] lut_index,
    
output reg [15:0] lut_data
);
always @(*)
begin
    
case
(lut_index)
    
//ov7670 RAW 25Fps 24M input
    
'd0 :   lut_data <=  '
h1280;
    
'd1 :   lut_data <=  '
h0000; 
    
'd2 :   lut_data <=  '
h0000;     
    
'd3 :   lut_data <=  '
h0000;     
    
'd4 :   lut_data <=  '
h0000;        
    
'd5 :   lut_data <=  '
h0000;     
    
'd6 :   lut_data <=  '
h0000;     
    
'd7 :   lut_data <=  '
h0000;     
    
'd8 :   lut_data <=  '
h1101;     
    
'd9 :   lut_data <=  '
h3a04; 
    
'd10    :   lut_data <=  '
h1201;
    
//windows setting
    
'd11    :   lut_data <=  '
h1712;  
//Hstart high 8bit
    
'd12    :   lut_data <=  '
h1800;  
//Hstop high 8bit
    
'd13    :   lut_data <=  '
h1902;  
//Vstart high 8bit
    
'd14    :   lut_data <=  '
h1a7a;  
//Vstop high 8bit
    
'd15    :   lut_data <=  '
h32b6;  
//HREF
    
'd16    :   lut_data <=  '
h0300;  
//VREF         
    
'd17    :   lut_data <=  '
h0c00; 
    
'd18    :   lut_data <=  '
h3e00; 
    
'd19    :   lut_data <=  '
h703a; 
    
'd20    :   lut_data <=  '
h7135;
    
'd21    :   lut_data <=  '
h7211;
    
'd22    :   lut_data <=  '
h73f0;
    
'd23    :   lut_data <=  '
ha202; 
    
'd24    :   lut_data <=  '
h13e0;
    
'd25    :   lut_data <=  '
h0000;
    
'd26    :   lut_data <=  '
h0d40;
    
'd27    :   lut_data <=  '
h1438; 
    
'd28    :   lut_data <=  '
ha507;
    
'd29    :   lut_data <=  '
hab08;
    
'd30    :   lut_data <=  '
h2495;
    
'd31    :   lut_data <=  '
h2533; 
    
'd32    :   lut_data <=  '
h26e3;
    
'd33    :   lut_data <=  '
h9f78;
    
'd34    :   lut_data <=  '
ha068;
    
'd35    :   lut_data <=  '
ha10b;
    
'd36    :   lut_data <=  '
ha6d8;
    
'd37    :   lut_data <=  '
ha7d8;
    
'd38    :   lut_data <=  '
ha8f0;
    
'd39    :   lut_data <=  '
ha990; 
    
'd40    :   lut_data <=  '
haa94;
    
'd41    :   lut_data <=  '
h13e5; 
    
'd42    :   lut_data <=  '
h0e61;
    
'd43    :   lut_data <=  '
h0f4b; 
    
'd44    :   lut_data <=  '
h1602;
    
'd45    :   lut_data <=  '
h2102;
    
'd46    :   lut_data <=  '
h2291;
    
'd47    :   lut_data <=  '
h2907;
    
'd48    :   lut_data <=  '
h3303;
    
'd49    :   lut_data <=  '
h350b;
    
'd50    :   lut_data <=  '
h371c;
    
'd51    :   lut_data <=  '
h3871; 
    
'd52    :   lut_data <=  '
h3c78;
    
'd53    :   lut_data <=  '
h3d08;
    
'd54    :   lut_data <=  '
h413a;
    
'd55    :   lut_data <=  '
h4d40; 
    
'd56    :   lut_data <=  '
h4e20;
    
'd57    :   lut_data <=  '
h6955;
    
'd58    :   lut_data <=  '
h6b4a;
    
'd59    :   lut_data <=  '
h7419;
    
'd60    :   lut_data <=  '
h7661;
    
'd61    :   lut_data <=  '
h8d4f;
    
'd62    :   lut_data <=  '
h8e00;
    
'd63    :   lut_data <=  '
h8f00; 
    
'd64    :   lut_data <=  '
h9000;
    
'd65    :   lut_data <=  '
h9100;
    
'd66    :   lut_data <=  '
h9600;
    
'd67    :   lut_data <=  '
h9a80; 
    
'd68    :   lut_data <=  '
hb08c;
    
'd69    :   lut_data <=  '
hb10c;
    
'd70    :   lut_data <=  '
hb20e;
    
'd71    :   lut_data <=  '
hb382;
    
'd72    :   lut_data <=  '
hb80a; 
    
'd73    :   lut_data <=  '
h4314;
    
'd74    :   lut_data <=  '
h44f0;
    
'd75    :   lut_data <=  '
h4534; 
    
'd76    :   lut_data <=  '
h4658;
    
'd77    :   lut_data <=  '
h4728;
    
'd78    :   lut_data <=  '
h483a;
    
'd79    :   lut_data <=  '
h5988; 
    
'd80    :   lut_data <=  '
h5a88;
    
'd81    :   lut_data <=  '
h5b44;
    
'd82    :   lut_data <=  '
h5c67;
    
'd83    :   lut_data <=  '
h5d49;
    
'd84    :   lut_data <=  '
h5e0e;
    
'd85    :   lut_data <=  '
h6c0a;
    
'd86    :   lut_data <=  '
h6d55;
    
'd87    :   lut_data <=  '
h6e11; 
    
'd88    :   lut_data <=  '
h6f9f;
    
'd89    :   lut_data <=  '
h6a40;
    
'd90    :   lut_data <=  '
h0140;
    
'd91    :   lut_data <=  '
h0240; 
    
'd92    :   lut_data <=  '
h13e7;
    
'd93    :   lut_data <=  '
h3411;
    
'd94    :   lut_data <=  '
h9266;
    
'd95    :   lut_data <=  '
h3b0a;
    
'd96    :   lut_data <=  '
ha488;
    
'd97    :   lut_data <=  '
h9600;
    
'd98    :   lut_data <=  '
h9730;
    
'd99    :   lut_data <=  '
h9820; 
    
'd100   :   lut_data <=  '
h9920;
    
'd101   :   lut_data <=  '
h9a84;
    
'd102   :   lut_data <=  '
h9b29;
    
'd103   :   lut_data <=  '
h9c03; 
    
'd104   :   lut_data <=  '
h9d4c;
    
'd105   :   lut_data <=  '
h9e3f;
    
'd106   :   lut_data <=  '
h7804;
    
'd107   :   lut_data <=  '
h7901;  
    
'd108   :   lut_data <=  '
hc8f0;
    
'd109   :   lut_data <=  '
h790f;
    
'd110   :   lut_data <=  '
hc820;
    
'd111   :   lut_data <=  '
h7910;
    
'd112   :   lut_data <=  '
hc87e;
    
'd113   :   lut_data <=  '
h790b;
    
'd114   :   lut_data <=  '
hc801; 
    
'd115   :   lut_data <=  '
h790c;
    
'd116   :   lut_data <=  '
hc807;
    
'd117   :   lut_data <=  '
h790d;
    
'd118   :   lut_data <=  '
hc820; 
    
'd119   :   lut_data <=  '
h7902;
    
'd120   :   lut_data <=  '
hc8c0;
    
'd121   :   lut_data <=  '
h7903;
    
'd122   :    lut_data <=  '
hc840;
    
'd123   :   lut_data <=  '
h7905;
    
'd124   :   lut_data <=  '
hc830;
    
'd125   :    lut_data <=  '
h7926;
    
default
:   lut_data <=  'h0000;
    
endcase
end
endmodule
        
      

5. 上位机Demo实现

本设计采用VC++ 2010设计了一款简易的UDP网络视频流播放器，视频源为RAW8格式，分辨率640*480，帧率25Hz。Windows为我们提供了便捷的套接字(socket)编程方式，软件工程师方便实现网络编程。

6. 视频显示结果

给FPGA板卡上电，打开UDP demo软件，视频正常显示。

7. 任务管理器

在任务管理器中，可以查看网卡的状态，包括使用率和丢包的大概曲线图。UDP demo软件运行几分钟后，图像稳定显示，从任务管理器中可以看到本地网卡2的使用率为65.99%，曲线平整，没有异常丢包情况。

本文转自 shugenyin 51CTO博客，原文链接:http://blog.51cto.com/shugenyin/1918406