嵌入式千兆網(wǎng)高清視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙文達(dá)，趙 建，曲 鋒，續(xù)志軍

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們對視頻的清晰度要求越來越高，高清視頻的傳輸需要較高的帶寬。隨著CCD等成像器件工藝的不斷進(jìn)步完善，相機(jī)不論幀頻速度、分辨率還是動態(tài)范圍和靈敏度都有了較大的提高，從而圖像數(shù)據(jù)的傳輸也需要高的帶寬。另一方面，短距離的數(shù)據(jù)傳輸已不能滿足工程的需要，人們開始研究快速、高效的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了嵌入式千兆網(wǎng)高清視頻傳輸系統(tǒng)［1－4］。

目前常用的高清視頻傳輸方法是：首先應(yīng)用視頻壓縮編碼來減小傳輸帶寬；然后，采用計(jì)算機(jī)上的10M／100M以太網(wǎng)，將壓縮視頻傳到另一端的計(jì)算機(jī)上；最后，在另一端計(jì)算機(jī)上將壓縮視頻解碼并顯示。此種方法可以較快速地實(shí)現(xiàn)高清視頻的遠(yuǎn)程傳輸，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，使用不便。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理集成在一起，這樣整個系統(tǒng)集成度高、小巧、使用方便、成本低。在數(shù)據(jù)的高速遠(yuǎn)程傳輸方面，本設(shè)計(jì)采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)。千兆以太網(wǎng)在原有百兆以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范上改進(jìn)得到的，它與10M／100M以太網(wǎng)兼容，使用方便。并且，它的數(shù)據(jù)傳輸最高可以達(dá)到1 000M／s的帶寬，可以滿足高清視頻數(shù)據(jù)對傳輸帶寬的要求［5－7］。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用Camera Link接口的紫外相機(jī)進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)采集，在FPGA的控制下，經(jīng)千兆以太網(wǎng)高速傳輸至上位機(jī)進(jìn)行圖像的緩存與顯示。其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理和千兆網(wǎng)底層驅(qū)動的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需滿足以下需求：（1）傳輸圖像的分辨率在720×1 020以上，數(shù)據(jù)位寬為8位，圖像最高幀頻為40Hz；（2）支持RJ45接口的千兆以太網(wǎng)，采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議；（3）視頻圖像數(shù)據(jù)采集接口支持CameraLink接口。根據(jù)以上系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)千兆網(wǎng)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall structure of the system

（1）Camera Link相機(jī)數(shù)據(jù)采集：相機(jī)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)Camera Link信號經(jīng)過專用接收芯片DS90CR288解碼成LVTTL信號輸入給FPGA內(nèi)部的圖像采集模塊［8］。圖像采集模塊根據(jù)行有效、數(shù)據(jù)有效等信號對有效的行和像素計(jì)數(shù)，將有用的像素?cái)?shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理模塊。

（2）圖像數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理模塊參照像素時鐘對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換處理，然后將轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)緩存到FIFO中。

（3）數(shù)據(jù)傳輸?shù)那д拙W(wǎng)驅(qū)動：在FPGA的千兆網(wǎng)驅(qū)動中實(shí)現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議和數(shù)據(jù)包的收發(fā)。媒體訪問控制（MAC）層采用AX88180芯片，以太網(wǎng)物理層（PHY）采用M88E1111芯片。

其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理和千兆網(wǎng)底層驅(qū)動的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，下面主要從這兩方面介紹。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理

TCP／IP 協(xié)議（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）即傳輸控制／網(wǎng)際協(xié)議，也被稱為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)中各主機(jī)進(jìn)行通信使用的標(biāo)準(zhǔn)都是由它規(guī)定的［9］。TCP／IP是由應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層組成的。應(yīng)用層是體系結(jié)構(gòu)中的最高層，它直接為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。運(yùn)輸層主要包括傳輸控制TCP協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報(bào)UDP協(xié)議，它負(fù)責(zé)向兩個主機(jī)中進(jìn)程之間的通信提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層主要為不同主機(jī)在分組交換網(wǎng)上提供通信服務(wù)。IP協(xié)議（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）是TCP／IP在網(wǎng)絡(luò)層上的主要協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)組裝成幀，并提供透明、可靠的數(shù)據(jù)傳送基本服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)的視頻圖像傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理由FPGA實(shí)現(xiàn)，考慮到效率與復(fù)雜性的問題，需要對TCP／IP協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的化簡。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特點(diǎn)為：（1）端對端通信環(huán)境。數(shù)據(jù)交換僅僅在采集前端和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行，在這種情況下可以忽略因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)堵塞、延時等導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的可能性，因此系統(tǒng)不需要任何復(fù)雜的可靠性控制協(xié)議，使用UDP協(xié)議即可。（2）通訊雙方信息固定。如UDP端口號、IP地址和MAC地址等可以事先確定，不需要再實(shí)現(xiàn)相關(guān)的尋址協(xié)議。（3）數(shù)據(jù)格式固定。由于前端千兆以太網(wǎng)主要用來傳輸圖像數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包格式及長度可以事前確定，并且采集前端從計(jì)算機(jī)接收命令數(shù)據(jù)包的數(shù)量及類型也都是固定的，直接丟棄相關(guān)的協(xié)議信息，僅根據(jù)數(shù)據(jù)就可以確定命令種類。這樣對于數(shù)據(jù)采集前端來說，就可以把各層協(xié)議的首部事先準(zhǔn)備好，發(fā)送時直接以常量形式封裝在有效數(shù)據(jù)包前面，將封裝后的數(shù)據(jù)包直接交給協(xié)議芯片發(fā)送，而不用再由系統(tǒng)實(shí)時計(jì)算產(chǎn)生。試驗(yàn)采用的各層協(xié)議格式［10］如表1所示。

表1 各層協(xié)議格式Tab.1 Levels of agreement format

4 千兆網(wǎng)驅(qū)動的設(shè)計(jì)

要通過千兆網(wǎng)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，至少需要實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。數(shù)據(jù)鏈路層主要承擔(dān)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、傳輸控制、差錯檢查工作，物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)編解碼、時鐘基準(zhǔn)、線路狀態(tài)監(jiān)測等工作。目前的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，常用的方法是將繁瑣的以太網(wǎng)通訊協(xié)議編寫在主控制器中，然后外連物理層接口芯片。以太網(wǎng)協(xié)議由軟件實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，不夠穩(wěn)定，并且不方便調(diào)試。為了簡化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜度和節(jié)約成本，本設(shè)計(jì)選擇了獨(dú)立的數(shù)據(jù)鏈路層控制芯片AX88180，對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并構(gòu)建頂層傳輸控制協(xié)議［11］。M88E111作為千兆以太網(wǎng)物理層芯片，完成數(shù)據(jù)的信道編解碼、傳輸時鐘的生成以及控制碼元在物理信道上的傳輸。

AX88180是一款適用于千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）芯片，與主機(jī)通信采用16／32位的直接總線方式，1 000M模式下支持全雙工操作，兼容IEEE802.3、802.3u、802.3ab網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，支持SRAM－LIKE主機(jī)接口，可以非常方便地與FPGA、ARM、DSP等控制器連接。M88E1111是MARVELL公司推出的適用于1000BASE－T應(yīng)用的千兆物理層芯片，它采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制 造，支 持 IEEE 802.3、IEEE 802.3u、IEE E802.3ab標(biāo)準(zhǔn)，向下兼容10BASE－T、100BASET 應(yīng)用，支持 GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI與MAC接口標(biāo)準(zhǔn)。FPGA、AX88180與 M88E1111之間的連接電路如圖2所示。

圖2 FPGA、AX88180與 M88E1111之間連接電路圖Fig.2 Connection circuit between the FPGA，AX88180and M88E1111

由于FPGA具有充足的管腳與AX88180連接，為了實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，選擇了32位的接口和異步操作的工作方式。AX88180主機(jī)接口共包括32位數(shù)據(jù)總線HD［31：0］、16位地址總線 HA［15：0］、片選信號CSN、讀信號OEN、寫信號 WEN、中斷信號INTN、硬件復(fù)位信號RST＿N。AX88180采用RGMII（Reduced GMII）接口與PHY連接。RGMII接口主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)TXD［0：3］、發(fā)送時鐘 TXCX、發(fā)送時能 TXEN、接收數(shù)據(jù)RXD［0：3］、接收時鐘RXCX、接收使能RXDV以及沖突信號COL和傳輸感應(yīng)信號CRS、參考時鐘信號CLK125以及PHY中斷信號PHYINTN等。另外，AX88180輸入時鐘與FPGA輸入時鐘由同一100MHz晶振提供，AX88180和M88E1111的復(fù)位信號都由FPGA控制，M88E1111將25MHz的時鐘信號倍頻成125MHz時鐘給AX88180提供發(fā)送參考時鐘。

千兆網(wǎng)驅(qū)動的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)包的接收發(fā)送和收發(fā)的仲裁。系統(tǒng)的初始化在系統(tǒng)上電時運(yùn)行，主要工作是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)芯片說明手冊對芯片寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，使網(wǎng)絡(luò)處于一個穩(wěn)定的初始狀態(tài)。設(shè)計(jì)中需要注意的是根據(jù)M88E1111數(shù)據(jù)手冊的規(guī)定，M88E1111硬件復(fù)位至少需要持續(xù)15ms以上的復(fù)位時間，并且復(fù)位信號結(jié)束5ms以后才能訪問PHY寄存器。發(fā)送模塊的主要工作是將數(shù)據(jù)從FPGA片內(nèi)緩沖區(qū)中移出來，為其加上合適的協(xié)議首部后寫入AX88180的內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)中，之后通過控制AX88180的發(fā)送寄存器將其通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)的發(fā)送是在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)的，編程的技巧采用狀態(tài)機(jī)的思想［12］。發(fā)送過程是首先在原始狀態(tài)等待，等到FIFO中緩存的圖像數(shù)據(jù)大于一行時，將數(shù)據(jù)包頭寫入AX88180的發(fā)送緩沖區(qū)，包頭寫完后，F(xiàn)PGA將FIFO中的一行圖像數(shù)據(jù)寫入AX88180的發(fā)送緩沖區(qū)，寫完成后，配置與AX88180發(fā)送相關(guān)的寄存器，將一個完整的數(shù)據(jù)包通過PHY芯片88EE1111發(fā)送出去，發(fā)送結(jié)束進(jìn)入到原始狀態(tài)等待下一行新數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)包的接收主要接收上位機(jī)發(fā)過來的命令，對于本系統(tǒng)僅包括開始采集、停止采集等。AX88180接收到有效的數(shù)據(jù)包后，通過中斷通知FPGA。仲裁模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送空閑時檢測并判斷中斷的狀態(tài)，如果當(dāng)前有效的是接收中斷，總線就會交給接收模塊。上位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)幀包括相應(yīng)的協(xié)議頭，為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，設(shè)計(jì)中規(guī)定長度為100字節(jié)的數(shù)據(jù)幀為系統(tǒng)命令使用的幀長度，并且僅根據(jù)其中的1個字節(jié)判斷命令種類，對于長度不等于100字節(jié)的數(shù)據(jù)幀直接做丟棄處理。

數(shù)據(jù)收發(fā)仲裁的作用是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為系統(tǒng)初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)分配FPGA的總線使用權(quán)，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)混亂造成系統(tǒng)工作不正常，同時還捕獲MAC的接收中斷。工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)收發(fā)仲裁流程圖Fig.3 Data transceiver arbitration flowchart

上電時，F(xiàn)PGA先對系統(tǒng)初始化即總線被初始化占用，等到初始化完成后交出總線，等待MAC接收中斷，中斷有效時接收上位機(jī)發(fā)來的命令數(shù)據(jù)包，此時總線由接收模塊占用。若命令發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)送模塊占用總線將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，發(fā)送間隔時期再判斷MAC接收中斷狀態(tài)以判斷是否存在接收數(shù)據(jù)，若有則接收模塊要在發(fā)送間隔內(nèi)將數(shù)據(jù)接收完畢，繼續(xù)判斷上位機(jī)命令，若為停止發(fā)送，則回到等待MAC中斷狀態(tài)，否則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用分辨率為1 392×1 040，幀頻為16Hz，8位像素，像素時鐘主頻為33.75MHz的紫外相機(jī)。由于發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的效率直接影響數(shù)據(jù)的高速傳輸，本文做了數(shù)據(jù)發(fā)送過程的仿真，發(fā)送模塊在FPGA中通過狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，波形如圖4所示（利用Altera的SignaltapII獲得）。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送過程的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of data transmission process

為了完整地觀察到發(fā)送數(shù)據(jù)過程中狀態(tài)機(jī)的變化，將采集的兩幅圖拼接來看。sendHA和sendHD分別代表AX88180的地址總線和數(shù)據(jù)總線，st0、st1、st2、st3分別代表狀態(tài)機(jī)中的等待、給數(shù)據(jù)添加包頭、將數(shù)據(jù)寫入AX88180的發(fā)送緩沖區(qū)、配置與發(fā)送有關(guān)的寄存器4個狀態(tài)，高電平有效。wradd表示發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的圖像數(shù)據(jù)數(shù)，在st2為高電平時，wradd從0到347共348個32位寬的數(shù)據(jù)，即為1 392個8位寬的圖像數(shù)據(jù)寫入AX88180的發(fā)送緩沖區(qū)，正好為一行圖像。

上位機(jī)測試程序用VC＋＋編寫，start表示開始采集圖像，stop表示停止采集圖像。上位機(jī)測試程序如圖5所示。

圖5 上位機(jī)測試程序效果圖Fig.5 Computer test program effect diagram

可以看出圖像存儲完整，無丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象，并且測得系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作在最高數(shù)據(jù)傳輸速度為607.8Mbit／s。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無損視頻高速傳輸?shù)那度胧角д拙W(wǎng)系統(tǒng)。介紹了硬件電路的基本組成，重點(diǎn)介紹了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理和千兆網(wǎng)底層驅(qū)動的設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片的連接、數(shù)據(jù)包的接收發(fā)送和數(shù)據(jù)收發(fā)的仲裁。上位機(jī)采用VC＋＋6.0編寫的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通訊和高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的實(shí)時存儲與顯示。最后在實(shí)驗(yàn)室完成了圖像采集顯示及傳輸速率的測試，最高傳輸速度達(dá)到607.8 Mbit／s，與已有的千兆網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率為300Mbit／s［4］相比，速率提高了一倍多，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

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