1. 引言
视频产业近年发展愈发迅猛，传统的图像采集方式采用单片机作为核心处理单元，效率低下，对串行数据的处理速率较慢。对于传统的视频图像传输方式来说，随着科技的发展和应用的深入，其局限性也日益显现出来。对于一些需要长距离、高质量视频传输的应用场景，传统的视频传输方式往往难以满足需求，或者需要付出较高的成本。此外，对于一些移动设备或临时应用场景，传统的视频传输方式也可能因为布线困难、维护不易等问题而难以适用。FPGA中文名现场可编程门阵列，相比与单片机集成电路的传统结构，在视频图像信息处理方面集成度高，内部资源丰富，可塑性更强 [1] 。随着以太网技术的不断发展和FPGA的广泛应用，以太网和FPGA的结合为视频传输系统的设计提供了新的思路。以太网作为一种高速、稳定的网络传输技术，已经成为现代通信领域的主流技术之一。而FPGA有强大的并行计算能力和高度的灵活性，可用于实现各种数字信号处理算法。本文将以太网和FPGA相结合，设计了一种高效、稳定的视频传输系统，旨在满足日益增长的视频传输需求，为视频传输领域的发展注入新的活力。
2. 总体系统设计
图像传输系统总体设计如图1所示。
本次FPGA芯片选用Altera系列的EP4CE10F17C8板卡。系统开始工作时由时钟生成模块为整个系统提供工作时钟。上电后首先开始驱动摄像头工作，将传输协议写入摄像头寄存器进行初始化配置。配置完成后即开始采集图像，采集到的数据先缓存到FPGA的SDRAM当中并进行简单处理，由FIFO控制数据处理逻辑 [2] ，再通过图像格式配置将图像信息处理成相应的传输格式 [3] 。之后将图像信息打包成以太网数据包，经过以太网发送到上位机。在上位机端进行数据解包，还原出原始图像信息，观察并验证结果。
3. 系统模块设计
3.1. ov7725
系统的图像信息采集主要由摄像头ov7725完成，光线通过镜头投射到ov7725的图像传感器表面上，图像传感器将接收到的光学图像转换为电信号，这些电信号随后被转换为数字图像信号，转换后的数字图像信号被送到数字信号处理芯片中进行加工处理，其内部功能框图如图2所示。
Figure 2. Internal function block diagram
图2. 内部功能框图
(1) 控制寄存器
图2中标号1的位置是ov7725的控制寄存器，它根据这些寄存器配置的参数来运行。配置的参数由外部控制器即FPGA通过SDA和SCL引脚来写入。
(2) 通信、控制信号及时钟
图2标号2处包含了ov7725的通信、控制信号及外部时钟，其中PCLK、HREF及VSYNC分别是像素同步时钟、行同步信号以及帧同步信号 [4] 。RSTB引脚为低电平时，用于复位整个传感器芯片，PWDN用于控制芯片进入低功耗模式。XCLK用于驱动整个传感器芯片的时钟信号，由外部输入；而PCLK是ov7725输出数据时的同步信号，由内部输出。
(3) 感光矩阵
图2标号3处的是感光矩阵，光信号在这里转化成电信号，经过各种处理，这些信号存储成由一个个像素点表示的数字图像。
(4) 数据输入信号
图2标号4处包含了DSP处理单元 [5] ，它会根据控制寄存器的配置做一些基本的图像处理运算。这部分还包含了图像格式转换单元及压缩单元，转换出的数据最终通过D0-D9引脚输出。
3.2. 图像采集模块
ov7725内部例化了SSCB协议(ov7725_sccb)，寄存器配置(ov7725_cfg)以及图像采集(ov7725_data)等三个模块共同工作。配置好SCCB协议与寄存器过后，图像采集模块开始工作。时钟信号为ov7725_pclk，由ov7725摄像头自带晶振产生并传入，频率24MHz，作为模块工作时钟；复位信号sys_rst_n，低电平有效；ov7725_vsync为摄像头采集图像的场同步信号；ov7725_href为行有效图像使能信号，信号只有采集图像行有效显示区域为高电平，其他时刻为低电平，ov7725_data位宽为8bit，采集的图像数据分两次传入模块，先传入图像数据高字节，下个时钟周期传入低字节，所以显示图像就需要对传入图像数据进行拼接，拼接后的数据做一下缓存输出写入SDRAM [6] 。而且摄像头刚采集的前几帧图像数据不太稳定，先舍弃前10帧图像。图像采集功能模块如图3所示。
Figure 3. Image acquisition function module diagram
图3. 图像采集功能模块图
3.3. 以太网通信
3.3.1. 通信协议
本次以太网传输基于UDP协议，该协议的功能主要是将图像信息数据封装成特定格式，而UDP协议是一个基于IP协议，所以打包每个传输数据时需要在UDP数据基础上加上IP包头信息，就能得到IP层的数据内容 [7] 。IP层经MAC层发送，因此在其数据基础上再加上MAC帧头以及校验字段，即可得到MAC层数据内容，系统中的MAC层即FPGA板载，三者之间的关系如图4所示。
除了以上数据层之间的联系，在传输过程中还需要转换芯片PHY，MAC层与PHY之间的连接使用的是MII接口协议 [8] 。在MII接口协议中，每个时钟周期只传输4位数据，数据传输时先发送字节的低4位，再发送字节的高4位，数据和使能信号在时钟的下降沿变化，时钟上升沿可以采集到数据稳定状态。MII接口数据接收、发送时序图如图5所示。
Figure 5. The MII protocol timing diagram
图5. MII协议时序图
在数据传输过程中，MAC层将数据发送到TXD信号线上，并通过TX_EN信号线指示PHY层进行数据的发送。PHY层在接收到TX_EN信号后，将数据从TXD信号线上读取，并通过物理层进行发送。同时，PHY层还会通过RX_DV信号线指示MAC层有数据接收。
3.3.2. 图像数据打包
数据打包是读取SDRAM中待发送的图像数据按照上位机格式进行数据打包并发送，并且在上位机能接收到完整的图像数据，获取图像信息。一个完整的图像数据协议包括：4字节包头数据、1字节设备地址、包长度、指令、图像数据、CRC校验位。图像数据包协议见表1。其中，包头和设备地址字段主要添加以太网帧的头部信息，包括源MAC地址、目标MAC地址等 [9] 。指令和包长度字段用于标识数据包中携带的长度信息和数据类型。
Table 1. Image data package protocol
表1. 图像数据包协议
本次传输的图像格式为RGB565，分辨率为640 * 480。一帧完整的图像分为75个数据包传输，一个包包含有效像素8192字节。每传输一个数据包图像信息，每帧的第一个数据包对应添加包头，校验地址，包长度及指令等信息，相应的校验信息也会添加在末尾。数据包抓取如图6所示。
3.3.3. 图像数据接收
接收端接收到的数据是一个个完整的以太网数据包，此时进行地址校验与数据提取，在模块内定义7个状态，状态跳转图如图7所示。
数据包以字节为单位，以太网数据包中的各类型数据的字节宽度包含在数据中的，利用字节宽度信息作为状态机跳转的约束条件 [10] 。
(1) 初始状态：
系统上电后，模块内状态机一直处于初始状态，在系统时钟上升沿，当检测到数据使能信号为高电平、拼接数据为8'h55时，使能信号拉高一个时钟周期，状态机跳转到数据包头接收状态。
(2) 数据包头接收状态：
在数据包头接收状态内，完成前导码+帧起始界定符的接收与检验。声明字节计数器，初值为0，状态机处于数据包头接收状态时，数据使能信号拉高一次，计数器自加1。计数值为6，拼接数据为8'hd5，帧起始界定符通过检验，计数器归零，使能信号拉高一个时钟周期，状态机跳转到以太网帧头接收状态。
(3) 以太网帧头接收状态：
此状态内会接收14字节数据，包括6字节的目的MAC地址、6字节源MAC地址、2字节长度/类型字节。其中0-5字节就是要校验的目的MAC地址。当MAC地址寄存器寄存的MAC地址与板卡MAC地址相同时，标志信号保持高电平。14个字节接收完毕，标志信号mac-flag信号为高电平，表示目的MAC地址正确，状态机跳转到IP首部接收状态。
(4) IP首部接收状态：
校验IP地址，地址校验通过状态跳转到UDP首部接收状态，校验不通过就跳转到初始状态。
(5) UDP首部接收状态：
UDP首部包含8字节数据，分别是源端口、目的端口、数据长度(UDP首部 + 数据长度)、checksum校验字节，其中第5、6字节包含数据长度信息，在此状态只提取数据长度信息，为后面数据接收做准备。
(6) 有效数据接收状态：
有效数据的字节长度是要在数据字节长度基础上减去UDP首部的字节长度。利用寄存器寄存有效数据字节长度信息。同时，字节计数器对传入的有效字节数据进行计数，有效数据接收完毕，计数器归0，使能信号拉高一个时钟周期，状态机跳转到结束状态。
(7) 结束状态：
在结束状态中，当数据使能信号为低电平时，以太网数据接收完毕，状态机跳回到初始状态，等待下一个以太网数据包的传入。
4. 仿真与验证
系统验证
本次在日常生活环境中进行了模拟测试，验证系统的正确性。在上位机端使用了wireshark和网络调试助手进行验证，验证以太网传输的图像数据的准确性，如图8所示。
Figure 8. The upper position machine displays figure
图8. 上位机显示图
系统整体如图9所示，各项参数见表2。
5. 结论
基于FPGA的以太网视频图像传输系统在设计上充分发挥了FPGA的并行处理和灵活配置的优势，结合以太网的高速传输特性，实现了高效、稳定的视频传输。该系统在实际应用中，不仅提高了视频传输的质量和实时性，还为各种视频传输应用场景提供了更大的灵活性和可扩展性 [11] 。随着技术的不断进步，我们相信基于FPGA的以太网视频传输系统将会在未来发挥更大的作用，满足更为复杂和多样化的需求。
NOTES
*通讯作者。