基于FPGA的GigE Vision相機(jī)圖像采集方案設(shè)計(jì)

1 概述

GigE Vision是一個(gè)比較復(fù)雜的協(xié)議，要在FPGA中完全實(shí)現(xiàn)具有較大的難度。如果FPGA作為接收端希望實(shí)現(xiàn)GigE Vision相機(jī)的配置和圖像采集功能，則只需要實(shí)現(xiàn)其中小部分功能即可。本文對(duì)原有GigE Vision協(xié)議的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裁剪，僅保留設(shè)備搜索、寄存器配置和圖像采集三個(gè)主要功能。并在FPGA中成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)Basler GIGE相機(jī)的配置和圖像實(shí)時(shí)采集。

2 GigE Vision協(xié)議

GigE Vision協(xié)議包含GVCP（GigE Vision Control Protocol）和GVSP（GigE Vision Streaming Protocol）兩部分。其中，GVCP負(fù)責(zé)對(duì)相機(jī)進(jìn)行配置，GVSP負(fù)責(zé)控制圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 GVCP協(xié)議

GVCP協(xié)議規(guī)定了應(yīng)用程序通過(guò)以太網(wǎng)配置和控制外部設(shè)備的準(zhǔn)則，設(shè)備的配置過(guò)程采用了指令（CMD）和應(yīng)答（ACK）的方式。以外部主機(jī)和相機(jī)為例，首先，主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)向相機(jī)發(fā)送指令包，然后等待相機(jī)返回當(dāng)前指令的應(yīng)答包；相機(jī)接收到指令包后執(zhí)行相應(yīng)的操作，而后向主機(jī)返回應(yīng)答包。主機(jī)收到應(yīng)答包后，根據(jù)應(yīng)答包中的狀態(tài)信息判斷指令是否執(zhí)行成功，若執(zhí)行成功則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)指令包，否則重新發(fā)送當(dāng)前指令包。該方式彌補(bǔ)了UDP協(xié)議面向無(wú)連接的缺點(diǎn)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/p>

GVCP包含兩種格式的數(shù)據(jù)包：指令包和應(yīng)答包，指令包首部為：

在指令包首部中，0x42為GVCP指令包的固定字段，flag字段包含了不同指令的特定信息，command字段代表指令的類型，length字段代表指令包中除首部外，載荷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（單位：字節(jié)），req_id代表指令包的序號(hào)。

應(yīng)答包首部為：

在應(yīng)答包首部中，status字段代表指令包的執(zhí)行狀態(tài)，acknowledge字段代表應(yīng)答包的類型，length字段代表應(yīng)答包中除首部外，載荷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（單位：字節(jié)），ack_id代表應(yīng)答包的序號(hào)。

設(shè)計(jì)中使用了兩種指令包：設(shè)備搜索（DISCOVERY）和寫寄存器(WRITEREG)。

2.1.1 設(shè)備搜索（DISCOVERY）

設(shè)備搜索指令用于接收端（FPGA）尋找所在的子網(wǎng)中的GIGE發(fā)送設(shè)備（相機(jī)）。通過(guò)搜索指令DISCOVERY_CMD實(shí)現(xiàn)。

搜索指令包格式：

設(shè)計(jì)中的搜索指令包格式為：

對(duì)應(yīng)的搜索應(yīng)答包DISCOVERY_ACK為格式：

在搜索應(yīng)答包中，包含了相機(jī)的各個(gè)主要參數(shù)，包括相機(jī)的生產(chǎn)商、版本、名稱、序列號(hào)、IP地址、MAC地址等信息，載荷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為248字節(jié)。設(shè)計(jì)中所關(guān)心的是相機(jī)的IP地址和MAC地址信息，其中MAC地址位于載荷數(shù)據(jù)的第11~16字節(jié)部分，IP地址位于第37~40字節(jié)部分。

2.1.2 寫寄存器(WRITEREG)

寫寄存器指令用于配置相機(jī)的參數(shù)，通過(guò)WRITEREG_CMD指令實(shí)現(xiàn)。

寫寄存器指令包格式：

在寫寄存器指令包中，register_address字段代表32位的寄存器地址，register_data字段代表所要寫入的32位寄存器值。在設(shè)計(jì)中，每次只配置一個(gè)寄存器，因此只包含一個(gè)register_address和register_data字段。

因此，設(shè)計(jì)中的寫寄存器包格式如下：

對(duì)應(yīng)的寫寄存器應(yīng)答包WRITEREG_ACK格式：

在應(yīng)答包中，status字段的值為0x0000，代表寫寄存器指令執(zhí)行成功，index字段代表配置成功的寄存器個(gè)數(shù)，對(duì)于每次配置1個(gè)寄存器而言，該字段的值為0x0001。

因此，設(shè)計(jì)中的寫寄存器應(yīng)答包格式如下：

2.2 GVSP協(xié)議

GVSP協(xié)議規(guī)定了GVSP發(fā)送方向GVSP接收方傳輸圖像數(shù)據(jù)和圖像信息的一系列準(zhǔn)則。GVSP協(xié)議以數(shù)據(jù)塊（Data Block）為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通常使用標(biāo)準(zhǔn)傳輸模式。該模式包含3種格式的數(shù)據(jù)包：頭數(shù)據(jù)包（Data Leader Packet）、載荷數(shù)據(jù)包（Data Payload Packet）和尾數(shù)據(jù)包（Data Trailer Packet），頭數(shù)據(jù)包和尾數(shù)據(jù)包作為每個(gè)數(shù)據(jù)塊的首尾界定，不包含圖像數(shù)據(jù)；載荷數(shù)據(jù)包則作為數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)的傳輸載體，包含了有效的圖像數(shù)據(jù)。

3種數(shù)據(jù)包具有相同的GVSP首部，格式如下：

在GVSP首部中，status字段代表數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，block_id代表數(shù)據(jù)塊的序號(hào)，packet_id代表當(dāng)前數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)包的序號(hào)（頭數(shù)據(jù)包的packet_id總為0），packet_format字段代表數(shù)據(jù)包的類型（頭數(shù)據(jù)包、載荷數(shù)據(jù)包、尾數(shù)據(jù)包）。EI字段代表擴(kuò)展block_id和packet_id的標(biāo)志位，當(dāng)EI=0時(shí)，block_id為16bit，packet_id為24bit，此時(shí)的首部長(zhǎng)度為8字節(jié)；當(dāng)EI=1時(shí)，block_id為64bit，packet_id為32bit，此時(shí)的首部長(zhǎng)度為20字節(jié)。

設(shè)計(jì)中不對(duì)頭數(shù)據(jù)包和尾數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，僅根據(jù)packet_format字段從數(shù)據(jù)流中提取包含圖像數(shù)據(jù)的載荷數(shù)據(jù)包，并由EI位判斷首部的長(zhǎng)度，準(zhǔn)確剝除載荷數(shù)據(jù)包的首部后，便可得到有效的圖像數(shù)據(jù)。為了保證圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，不對(duì)status字段進(jìn)行判斷，對(duì)于傳輸錯(cuò)誤的圖像數(shù)據(jù)仍作為有效數(shù)據(jù)輸出。

3 UDP IP協(xié)議

GigE Vision是基于UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。因此，要?shí)現(xiàn)FPGA與相機(jī)間的GVCP和GVSP通信，還需要設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。按照GigE Vision協(xié)議的要求，需要設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還是比較多的。從FPGA與相機(jī)之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，只要實(shí)現(xiàn)基本的UDP 、IP和MAC三種協(xié)議即可。由于相機(jī)可以設(shè)置為固定IP地址，而且相機(jī)的IP地址和MAC地址都可以通過(guò)FPGA發(fā)送DISCOVERY指令獲取。所以ARP協(xié)議可以不在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于UDP和IP協(xié)議，只需要實(shí)現(xiàn)UDP和IP首部的添加和移除功能，其他功能可以不做。MAC協(xié)議在FPGA廠商的開(kāi)發(fā)環(huán)境中均提供了IP。當(dāng)然自己也可以設(shè)計(jì)一個(gè)MAC，只需要實(shí)現(xiàn)基本的MAC首部移除、添加以及CRC32校驗(yàn)功能即可。

4 FPGA工作流程

從相機(jī)的配置到圖像的采集整個(gè)流程為：

可分為5個(gè)步驟，具體過(guò)程如下：

（1）FPGA向其所屬子網(wǎng)發(fā)送UDP廣播包搜尋所連接的相機(jī)。GVCP的UDP端口號(hào)為3956，除此之外，F(xiàn)PGA和相機(jī)的IP地址必須屬于同一個(gè)子網(wǎng)段，否則相機(jī)將無(wú)法應(yīng)答搜索包。

（2）FPGA等待相機(jī)返回應(yīng)答包，并從中提取相機(jī)的IP地址和MAC地址，作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的IP首部和MAC首部中的目的地址。

（3）FPGA發(fā)送寫寄存器指令包，依次配置相機(jī)的各功能寄存器，對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（4）FPGA發(fā)送寫采集使能寄存器指令包，觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行圖像采集和傳輸。

（5）FPGA從相機(jī)接收GVSP數(shù)據(jù)包，從中提取出有效的圖像數(shù)據(jù)。

原文鏈接：

https://gitcode.csdn.net/66c6dc510bfad230b8ae756b.html