基于FPGA的万兆以太网与高速图像传输系统的研究与实现

摘要

随着科学技术的快速发展以及人类生活品质的不断提高，高帧率和高分辨率的图像逐渐在科学研究、工业生产和生活娱乐等领域得到了广泛应用。然而高帧率与高分辨率的图像必然伴随着大量的图像数据信息，所以对高速图像的实时采集与处理系统的研究就显的很有意义。因此本文提出了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的高速图像采集、显示与传输系统的研究。
　　论文首先分析了现有的几种图像传输接口，然后根据不同传输接口的特点选择了Camera Link接口作为系统的图像传输接口，接着研究了Camera Link接口的数据传输原理，并使用FPGA实现了Camera Link的数据接收电路。由于FPGA内部存储资源有限，无法缓存大量的数据，所以在FPGA内部设计了数据缓存系统，将数据临时缓存到DDR3中，对原始图像处理后将图像发送到显示屏显示。对于图像数据的传输，在系统设计时使用了当下最新的万兆以太网传输技术，传输PFGA内部缓存的图像数据到计算机。
　　系统分为两方面的设计，分别是在FPGA上的硬件电路设计和在计算机上关于万兆以太网的数据包收发软件程序设计。
　　系统在FPGA端的硬件设计，使用FPGA作为主控器，设计了Camera Link接口的数据接收电路，实现对图像的数据采集和时序控制，再联合DDR3进行数据缓存、HDMI进行实时显示。同时将采集到的图像数据通过万兆以太网传输到计算机用作后期处理。
　　在计算机软件方面，使用WinPcap开源库实现对万兆以太网数据包的收发[1]。WinPcap工作在系统的内核区域，提供可以直接访问网络底层的原始数据包的函数接口，用户可以根据自己设计需求通过WinPcap函数接口编写自己的网络驱动程序。
　　为了使系统的实时处理与显示性能以及图像传输效率达到最大化，本文设计了两个子系统分别用于图像的高速采集显示和图像的高速传输。
　　一，高速图像实时显示系统。系统使用FPGA实现了Camera Link接口的数据接收模块，通过对原始图像数据的还原将图像数据缓存到高速存储器DDR3，之后设计了图像处理模块用于对原始图像进行格式转换和颜色处理，最后使用HDMI实时显示采集处理后的图像。
　　二，高速图像传输系统。系统使用FPGA实现Camera Link接口的数据接收后，使用内部RAM进行临时存储，根据软件接收程序自定义通信协议，最后使用万兆以太网将图像数据传输到计算机。在计算机使用WinPcap库函数接收网络数据包，提取数据包中的图像数据存储到电脑硬盘。
　　论文最后对系统的性能做了分析，并通过实际测试，测得系统可以完成对高速图像的实时采集与显示。对于图像的传输，如果不考虑万兆以太网上位机缓存的溢出，速率可达到万兆以太网的理论速度10 Gbps。同时论文针对系统中存在的不足提出了改进方法。通过对FPGA接口的改写，系统还可以用于其他图像处理和数据传输系统，具有广泛的应用前景。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.2 图像传输技术发展现状

1.3 论文内容及组织结构

1.4 本章小结

第二章 系统相关技术介绍

2.1 Camera Link接口原理简介

2.2 万兆以太网

2.3 HDMI接口简介

2.4 本章小结

第三章 系统设计与实现

3.2 相机配置模块设计

3.3 Camera Link接口电路设计

3.4 图像数据恢复模块设计

3.5 数据缓存设计

3.6 图像处理模块设计

3.7 HDMI发送模块

3.8 万兆以太网

3.9 本章小结

第四章 系统功能验证与性能分析

4.1 系统功能验证

4.2 系统性能分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.2 论文展望

参考文献

致谢

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