1 引 言

隨著監控系統在商用民用的日漸普及，監控系統主要由前端監視設備、傳輸設備、后端控制顯示設備這三大部分組成，其中后端設備可進一步分為中心控制設備和分控制設備。前、后端設備有多種構成方式，它們之間的聯系（也可稱作傳輸系統）可通過電纜、光纖或微波等多種方式來實現。視頻監控攝像機廣泛應用于居民住宅、樓盤別墅、商場店鋪、財務室。每個不同的應用領域，需要有不同類型的監控攝像機。傳統的監控攝像機圖像分辨率低，難以滿足一些有特殊要求的應用場合。利用網絡來實現對高分辨率高幀率視頻圖像傳輸是視頻監控系統的一種重要思想。本文提出了基于千兆以太網傳輸視頻圖像并充分利用了FPGA并行處理和SDRAM高速緩存的優勢，提高了視頻圖像的傳輸速度。

2 硬件總體設計

硬件總體框架如上圖，主控制器FPGA選用altera公司高性價比芯片EP2C20F256C6N.系統工作頻率為100M.圖像傳感器的數據首先在FIFO里緩沖后暫存于SDRAM,在網絡空閑時將暫存的圖像數據經FIFO2緩沖后送MAC芯片，再發送到網絡上。

CMOS芯片中文名稱：互補型金屬氧化物半導體 芯片類型：隨即存貯器（斷電會丟失數據的那種）容量：128~256字節是一種低耗電存儲器，其主要作用是用來存放BIOS中的設置信息以及系統時間日期。應該把它和BIOS芯片區別開。早期的CMOS芯片是一塊單獨的芯片MC146818A（DIP封裝），共有64個字節存放系統信息。386以后的微機一般將 MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中（如82C206,PQFP封裝），586以后主板上更是將CMOS與系統實時時鐘和后備電池集成到一塊叫做DALLDA DS1287的芯片中。隨著微機的發展、可設置參數的增多，現在的CMOS ROM一般都有128字節及至256字節的容量。CMOS芯片選用MICRON TECHNOLOGY的MT9P031,在500萬像素的滿分辨率下最高可輸出14幀的圖像數據。 SDRAM選用W982516BH-75,容量為32Mbytes,g與FPGA內部FIFO結合可設計為32Mbytes的大容量循環緩存，在圖像分辨率為300萬像素時可緩存10幀以上圖像數據。千兆網接口MAC芯片選用AX88180,物理層芯片選用88E1111,再通過網絡變壓器及RJ45用六類網線與計算機千兆網卡相連。

3 千兆網接口設計

AX88180是亞信公司推出的一款高性能低成本的Non-PCI千兆以太網控制器，適用于多種需要高速接入網絡的嵌入式系統，如消費電子和家庭網絡等。AX88180內置10/100/1000 Mb/s以太網媒體存取控制器（MAC），符合IEEE 802.3/IEEE 802.3u/IEEE 802.3ab協議，可與一般16/32位微控制器連接，其操作與SRAM相同。AX88180內置10/100/1000 Mb/s以太網媒體存取控制器（MAC），與PHY之間采用RGMII接口；內置主機接口控制器，可以與16/32位主機方便連接尋址方式與SRAM相同；內置40 KB SRAM網絡封包緩存器，其中32 KB用于從PHY接收數據包，KB用于主機發送數據包到PHY,可以用高效方式進行封包的存儲、檢索與修改；內置256字節的配置寄存器，用于主機控制和參數設置；內置EEP-ROM接口；圖2為AX88180及PHY芯片88E1111的連接圖。

3.1 千兆網接口初始化

對千兆網接口的初始非常重要，如果初始化不正確，系統將無法正常工作。對接口的初始化主要包括對AX88180和88E1111的初始化。

代碼用verilog語言完成。Verilog HDL是目前應用最為廣泛的硬件描述語言。Verilog HDL可以用來進行各種層次的邏輯設計，也可以進行數字系統的邏輯綜合，仿真驗證和時序分析等。Verilog HDL適合算法級，寄存器級，邏輯級，門級和版圖級等各個層次的設計和描述。Verilog HDL進行設計最大的優點是其工藝無關性。這使得工程師在功能設計，邏輯驗證階段可以不必過多考慮門級及工藝實現的具體細節，只需根據系統設計的要求施加不同的約束條件，即可設計出實際電路。具體代碼可參考亞信公司的驅動程序代碼，應注意初始化時需要加入一些固定的延時以確定芯片正常工作。

3.2 圖像數據的封包

當圖像的分辨率為2048×1536時，一個UDP數據包包含1024字節的圖像數據和兩個bytes圖像行編號。當計算機收到數據包時，根據圖像行編號信息放入對應的內存中，可以很方便的組合成一副完整的圖像。以下這FPGA寫入AX88180的UDP包頭代碼。

　　case（param_num）

　　'd0: w_dd = 'hFFFF;//目的MAC地址（廣播地址），寫三次

　　'd3: w_dd = 'h1111;//源MAC地址，均為0x1111,寫三次

　　'd6: w_dd = 'h0008;//協議號

　　'd7: w_dd = 'h0045;//固定數據VIP4,

　　'd8: w_dd = 'h1E04;//IP包總長度1026+28,并且高低8位交換

　　'd9: w_dd = 'h0;//ID號，始終為0

　　'd10:w_dd = 'h0;//fragment offset始終為0;

　　'd11:w_dd = 'h1140;//生存期和協議號，固定

　　'd12:w_dd = 'h0;//IP校驗和，由MAC芯片自動生成

　　'd13:w_dd = 'hA8C0;//源IP,固定為192.168.1.204

　　'd14:w_dd = 'hCC01;

　　'd15:w_dd = 'hFFFF;//目的IP,任意

　　'd16:w_dd = 'hFFFF;

　　'd17:w_dd = 'h7017;//源端口，固定為6000

　　'd18:w_dd = 'h7017;// 目的端口，固定為6000

　　'd19:w_dd = 'h0A04;//UDP數據長度

　　'd20:w_dd = 'h0;////校驗和由AX88180自動生成

　　'd21:w_dd = row_num;//圖像行信息從0開開始

　　default:w_dd = w_dd;

　　endcase

3.3 應用程序設計

由于大量數據在網絡上傳輸，用SOCKET的方式來獲圖像數據包已經比較困難，丟包率會比較高。采用Winpcap來捕獲網絡上的數據包，可有效的減少丟包率。

　　第一步，指定要通信的網卡設備并打開。

　　BOOL InitWpcap（）{

　　pcap_if_t* alldevs;

　　pcap_if_t* d;

　　char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];

　　if（pcap_findalldevs（alldevs, errbuf） == -1）{

　　AfxMessageBox（Error in pcap_findalldevs）；

　　return FALSE; }

　　// 枚舉網卡然后添加到用戶選擇的ComboBox中，代碼省略

　　char *filter = port 6000;//只接收端口6000的數據

　　bpf_u_int32 NetMask = 0xFFFFFF;

　　struct bpf_program fcode;

　　if（pcap_compile（m_pcap, fcode, filter, 1, NetMask） 0）{

　　AfxMessageBox（nError compiling filter: wrong syntax）；

　　pcap_close（m_pcap）； return FALSE; }

　　if（pcap_setfilter（m_pcap, fcode）0）{

　　AfxMessageBox（nError setting the filtern）；

　　pcap_close（m_pcap）； return FALSE; }

　　pcap_freealldevs（alldevs）； // 釋放alldev資源

　　return TRUE;}

第二步：開啟一個線程接收數據。

　　UINT RecvProc（LPVOID lpParammeter）

　　{ pcap_loop（m_pcap, 0, packet_handler, NULL）； return 0;}

packet_handler是處理收到數據包的回調函數， 當從port6000收到數據后它會被調用，直到線程終止。

第三步：處理收到的數據

　　void packet_handler（u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data）{

　　const u_char *real_data = pkt_data+42;

　　int row=real_data[0]+（real_data[1]《8）； }//這里就沒有處理包頭，直接處理數據。

4 總結

兆網接口攝像機，網絡傳輸有效數據帶寬達400Mb/s以上，較好的解決了百兆網傳輸帶寬不足、數據傳輸速度慢的問題。傳輸300萬像素不進行壓縮的原始圖像，幀率可達18幀/秒，視頻流暢清晰。計算機采用Winpcap捕獲圖像數據，丟包率小于0.02%.winpcap的主要功能在于獨立于主機協議（如TCP-IP）而發送和接收原始數據包。也就是說，winpcap不能阻塞，過濾或控制其他應用程序數據包的發收，它僅僅只是監聽共享網絡上傳送的數據包。因此，它不能用于QoS調度程序或個人防火墻。目前，winpcap開發的主要對象是windows NT/2000/XP,這主要是因為在使用winpcap的用戶中只有一小部分是僅使用windows 95/98/Me,并且MS也已經放棄了對win9x的開發。