基于FPGA的千兆以太网相机的传输系统研究

摘要

光电图像处理对于设备制造自动化、人工智能、自动识别等领域具有相当重要的研究意义。随着对图像识别的分辨率要求的不断提高，图像的像素越来越高，图像大小也随之变大，导致在图像的传输、处理等过程中对传输带宽、处理速度等提出了越来越高的要求；对于实时检测、视频监控等需要多个相机同时采集图像的场合，采用传统的传输手段需采用多个图形采集卡（或多台计算机），随着相机数量的增加，传输部分所需成本将随之大大增加。
　　本论文正是针对上述问题，以分布式图像采集系统的传输部分作为主要的研究对象，在深入分析网络传输理论及图像传输的特点的基础上，对基于FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑阵列）的千兆以太网相机的传输系统进行了详尽的讨论和研究。
　　在设计过程中对模块合理划分、利用自顶向下的设计模式，对系统功能模块的划分及各个模块之间如何协调工作做了详细的设计，充分考虑了可编程逻辑器件的并行结构的特点，尽量提高系统的性能，在代码设计的风格上考虑了平台的可移植性。
　　首先介绍了UDP/IP协议的基本传输理论，然后讨论了传输系统所涉及到的相关功能模块（如UDP发送模块、UDP接收模块、ARP发送模块、ARP接收模块、MAC缓存模块、MAC层发送模块、MAC层接收模块、物理层控制模块、CRC生成模块、CRC校验模块等）的基于FPGA及Verilog HDL硬件描述语言的设计方法，对设计的模块利用 Modelsim仿真工具及 Testbench进行了功能仿真、利用Quartus II开发工具完成了设计的综合、布局布线，最终下载到Altera公司的DE2-115开发板中进行验证，并利用网络数据捕捉工具Wireshark对传输系统与PC的通信进行了捕捉，确定了设计的正确性。本文所采用的基于 FPGA实现千兆以太网相机的传输部分的方法，据我们所知，国内外未见报道。

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第一章 引 言

1.1 课题研究背景和意义

1.2 课题研究现状及发展趋势

1.3 本文主要研究内容

第二章 面向FPGA的系统设计

2.1 FPGA简介

2.2 基于FPGA的系统的开发流程

2.3 本系统的设计方案

本章小结

第三章 UDP/IP协议及其FPGA实现

3.1 OSI模型

3.2 TCP/IP协议栈

3.3 IP协议

3.4 传输层协议

3.5 ARP协议

本章小结

第四章 MAC子层协议的FPGA实现

4.1 MAC子层概述

4.2 物理层概述

4.3 MAC子层模块实现

4.4 CRC模块实现

本章小结

第五章 整体设计与验证

5.1 顶层模块设计

5.2 模块功能仿真

5.3 Wireshark抓包测试

5.4 数据传输效率与丢包测试

本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果