FPGA設計——CMOS圖像采集與以太網傳輸顯示(OV7670)

1. 概述

本設計采用FPGA技術，將CMOS攝像頭(DVP接口)的視頻數據采集，并通過以太網傳輸(UDP方式)給PC機，上位機DEMO通過套接字編程，將視頻實時顯示在屏幕上。

2. 硬件系統框圖

CMOS采用OV7670(30萬像素)，FPGA采用ALTERA公司的CYCLONE IV，以太網卡采用IC plus公司的100M網卡芯片。

硬件平臺采用ETree的FPGA開發板(某寶提供)，如下圖所示：

3. UDP/IP協議

UDP(User Datagram Protocol)是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。每一個數據包的前8個字節用來包含報頭信息，剩余字節則用來包含具體的傳輸數據。UDP協議經常用于圖像傳輸、網絡監控數據交換等數據傳輸速度要求比較高的場合。

IP(Internet Protoco)包位于網絡層，功能是把分組發往目標網絡或主機。所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的數據都以IP數據格式傳輸。

以太網的數據幀的傳輸過程中，包長一般在46～1500字節，這里將UDP包長設計為：(8+20+640*2)=1308字節，以提高傳輸效率。

4. FPGA邏輯設計

FPGA各部分邏輯模塊如下圖所示：

• CMOS Capture，采集CMOS的DVP視頻流；

• I2C Config，配置CMOS芯片；

• FIFO，實現CMOS時鐘域到以太網時鐘域之間的轉換；

• UDP Pack，實現UDP/IP協議的實現。

下面為OV7670的初始化配置代碼：

//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?<=??'h2280;
	'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?<=??'h2101;		
	'd9	:	lut_data?<=??'h4a04;	
	'd10	:	lut_data?<=??'h2201;
	//windows?setting
	'd11	:	lut_data?<=??'h2712;	//Hstart?high?8bit
	'd12	:	lut_data?<=??'h2800;	//Hstop?high?8bit	
	'd13	:	lut_data?<=??'h2902;	//Vstart?high?8bit
	'd14	:	lut_data?<=??'h2a7a;	//Vstop?high?8bit
	'd15	:	lut_data?<=??'h42b6;	//HREF
	'd16	:	lut_data?<=??'h0300;	//VREF			
	'd17	:	lut_data?<=??'h0c00;	
	'd18	:	lut_data?<=??'h4e00;	
	'd19	:	lut_data?<=??'h703a;	
	'd20	:	lut_data?<=??'h7135;
	'd21	:	lut_data?<=??'h7211;
	'd22	:	lut_data?<=??'h73f0;
	'd23	:	lut_data?<=??'ha202;	
	'd24	:	lut_data?<=??'h23e0;
	'd25	:	lut_data?<=??'h0000;
	'd26	:	lut_data?<=??'h0d40;
	'd27	:	lut_data?<=??'h2438;	
	'd28	:	lut_data?<=??'ha507;
	'd29	:	lut_data?<=??'hab08;
	'd30	:	lut_data?<=??'h3495;
	'd31	:	lut_data?<=??'h3533;	
	'd32	:	lut_data?<=??'h36e3;
	'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?<=??'h23e5;	
	'd42	:	lut_data?<=??'h0e61;
	'd43	:	lut_data?<=??'h0f4b;	
	'd44	:	lut_data?<=??'h2602;
	'd45	:	lut_data?<=??'h3102;
	'd46	:	lut_data?<=??'h3291;
	'd47	:	lut_data?<=??'h3907;
	'd48	:	lut_data?<=??'h4303;
	'd49	:	lut_data?<=??'h450b;
	'd50	:	lut_data?<=??'h471c;
	'd51	:	lut_data?<=??'h4871;	
	'd52	:	lut_data?<=??'h4c78;
	'd53	:	lut_data?<=??'h4d08;
	'd54	:	lut_data?<=??'h513a;
	'd55	:	lut_data?<=??'h5d40;	
	'd56	:	lut_data?<=??'h5e20;
	'd57	:	lut_data?<=??'h7955;
	'd58	:	lut_data?<=??'h7b4a;
	'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?<=??'h5314;
	'd74	:	lut_data?<=??'h54f0;
	'd75	:	lut_data?<=??'h5534;	
	'd76	:	lut_data?<=??'h5658;
	'd77	:	lut_data?<=??'h5728;
	'd78	:	lut_data?<=??'h583a;
	'd79	:	lut_data?<=??'h6988;	
	'd80	:	lut_data?<=??'h6a88;
	'd81	:	lut_data?<=??'h6b44;
	'd82	:	lut_data?<=??'h6c67;
	'd83	:	lut_data?<=??'h6d49;
	'd84	:	lut_data?<=??'h6e0e;
	'd85	:	lut_data?<=??'h7c0a;
	'd86	:	lut_data?<=??'h7d55;
	'd87	:	lut_data?<=??'h7e11;	
	'd88	:	lut_data?<=??'h7f9f;
	'd89	:	lut_data?<=??'h7a40;
	'd90	:	lut_data?<=??'h0140;
	'd91	:	lut_data?<=??'h0240;	
	'd92	:	lut_data?<=??'h23e7;
	'd93	:	lut_data?<=??'h4411;
	'd94	:	lut_data?<=??'h9266;
	'd95	:	lut_data?<=??'h4b0a;
	'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. 上位機Demo實現

本設計采用VC++ 2010設計了一款簡易的UDP網絡視頻流播放器，視頻源為RAW8格式，分辨率640*480，幀率25Hz。Windows為我們提供了便捷的套接字(socket)編程方式，軟件工程師方便實現網絡編程。

6. 視頻顯示結果

給FPGA板卡上電，打開UDP demo軟件，視頻正常顯示。

7. 任務管理器

在任務管理器中，可以查看網卡的狀態，包括使用率和丟包的大概曲線圖。UDP demo軟件運行幾分鐘后，圖像穩定顯示，從任務管理器中可以看到本地網卡2的使用率為65.99%，曲線平整，沒有異常丟包情況。