基于NIOSⅡ的光纤以太网CCD相机系统设计

    0 引言

    视频信号的采集处理,是数字图像处理在实际工程项目中的具体应用。而视频信号采集后的传输方式和传输速度在工程应用中更是一个重要的组成部分,关系到传输的实用性,可靠性以及成像质量。将网络运用到相机系统中有利于解决多个相机同时工作、相互协调的关系。相机网络系统由CCD相机,图像数据存储器,图像数据网络传输系统,以及算机显示软件等部分组成,用于实现CCD相机图像传输和采集的整个过程。

    在小型嵌入式设备中实现以太网互联正在成为研究和应用的热点。研究人员提出了许多解决方案。传统的做法是在嵌入式设备中植入TCP/IP协议栈,或者移植一个具有TCP/IP协议栈的嵌入式操作系统。虽然上述做法在很多应用中取得了不错的效果,但都是以牺牲大量资源为代价的。在相机网络系统的设计和传输过程中,如何保证系统硬件资源最小化,计算机与采集系统的通讯可靠,图像数据传输的可靠性以及提高数据传输速度,是实际系统中必须解决的问题。硬件协议栈则可以在占用极低系统资源的条件下快速完成网络通讯。本文针对网卡接口芯片W3150A的特性,采用FPGA的NIOSÒ软核作为驱动器件来解决网络接口和传输的问题。

    1 网络相机系统硬件平台设计

    网络接口由硬件TCP/IP协议栈芯片W3150A配合底层以太网接口芯片RTL8201BL通过数据格式的转换以TCP/IP协议实现与计算机网络连接,W3150A由FPGA EP1C20F342C8的NIOSÒ进行配置。前端CCD相机将采集的图像数据实时储存在储存器中,NIOS核收到计算机通过网络传来的读取图像的命令后,将储存在高速存储器中的2MByte数字图像信号读出并通过TCP/IP协议栈芯片W3150A将该数据按规定顺序从网络传至计算机上图像显示[1-3]。

    网络相机系统硬件由EP1C20处理器,协议栈芯片W3150A和相应的外围芯片及图像采集系统组成,图1给出了硬件总体框图,主要包括CCD相机,储存图像信息的COMS高速存储器IS61WV20488以及TCP/IP协议物理层芯片RTL8201BL。

    1.1 采用以太网光电转换器实现与计算机控制软件的通信

    计算机控制软件是向下端图像采集装置,网络传输系统发布命令,接收图像数据并根据数据显示图像的软件装置。根据整个网络传输显示系统的要求,图像采集系统通过10/100 Mbit自适应光纤以太网光电转换器TR-932D从计算机网口与控制软件通信,控制软件通过该光电转换器向下位采集系统发送指令来控制采集模式和改变增益等,采集系统按控制软件要求发送图像数据及相关信息。