FPGA设计——CMOS图像采集与以太网传输显示(OV7670)

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IC plus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。

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 <=  '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。