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REALTK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。

UDP报文格式
0 15	16 31
源端口号	目的端口号
报文长度	校验和
数据

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：

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//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 <=  'h1280;

    '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 <=  'h1101;     

    'd9 :   lut_data <=  'h3a04; 

    'd10    :   lut_data <=  'h1201;

    //windows setting

    'd11    :   lut_data <=  'h1712;  //Hstart high 8bit

    'd12    :   lut_data <=  'h1800;  //Hstop high 8bit

    'd13    :   lut_data <=  'h1902;  //Vstart high 8bit

    'd14    :   lut_data <=  'h1a7a;  //Vstop high 8bit

    'd15    :   lut_data <=  'h32b6;  //HREF

    'd16    :   lut_data <=  'h0300;  //VREF         

    'd17    :   lut_data <=  'h0c00; 

    'd18    :   lut_data <=  'h3e00; 

    'd19    :   lut_data <=  'h703a; 

    'd20    :   lut_data <=  'h7135;

    'd21    :   lut_data <=  'h7211;

    'd22    :   lut_data <=  'h73f0;

    'd23    :   lut_data <=  'ha202; 

    'd24    :   lut_data <=  'h13e0;

    'd25    :   lut_data <=  'h0000;

    'd26    :   lut_data <=  'h0d40;

    'd27    :   lut_data <=  'h1438; 

    'd28    :   lut_data <=  'ha507;

    'd29    :   lut_data <=  'hab08;

    'd30    :   lut_data <=  'h2495;

    'd31    :   lut_data <=  'h2533; 

    'd32    :   lut_data <=  'h26e3;

    '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 <=  'h13e5; 

    'd42    :   lut_data <=  'h0e61;

    'd43    :   lut_data <=  'h0f4b; 

    'd44    :   lut_data <=  'h1602;

    'd45    :   lut_data <=  'h2102;

    'd46    :   lut_data <=  'h2291;

    'd47    :   lut_data <=  'h2907;

    'd48    :   lut_data <=  'h3303;

    'd49    :   lut_data <=  'h350b;

    'd50    :   lut_data <=  'h371c;

    'd51    :   lut_data <=  'h3871; 

    'd52    :   lut_data <=  'h3c78;

    'd53    :   lut_data <=  'h3d08;

    'd54    :   lut_data <=  'h413a;

    'd55    :   lut_data <=  'h4d40; 

    'd56    :   lut_data <=  'h4e20;

    'd57    :   lut_data <=  'h6955;

    'd58    :   lut_data <=  'h6b4a;

    '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 <=  'h4314;

    'd74    :   lut_data <=  'h44f0;

    'd75    :   lut_data <=  'h4534; 

    'd76    :   lut_data <=  'h4658;

    'd77    :   lut_data <=  'h4728;

    'd78    :   lut_data <=  'h483a;

    'd79    :   lut_data <=  'h5988; 

    'd80    :   lut_data <=  'h5a88;

    'd81    :   lut_data <=  'h5b44;

    'd82    :   lut_data <=  'h5c67;

    'd83    :   lut_data <=  'h5d49;

    'd84    :   lut_data <=  'h5e0e;

    'd85    :   lut_data <=  'h6c0a;

    'd86    :   lut_data <=  'h6d55;

    'd87    :   lut_data <=  'h6e11; 

    'd88    :   lut_data <=  'h6f9f;

    'd89    :   lut_data <=  'h6a40;

    'd90    :   lut_data <=  'h0140;

    'd91    :   lut_data <=  'h0240; 

    'd92    :   lut_data <=  'h13e7;

    'd93    :   lut_data <=  'h3411;

    'd94    :   lut_data <=  'h9266;

    'd95    :   lut_data <=  'h3b0a;

    '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。

本文转自 shugenyin 51CTO博客，原文链接:http://blog.51cto.com/shugenyin/1918406

FPGA设计——CMOS图像采集与以太网传输显示(OV7670)

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