【正点原子FPGA连载】第四十七章基于OV5640的以太网传输视频实验--摘自《正点原子开拓者FPGA开发指南》

正点原子运营 · 发表于 2019-5-27 12:41:22

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41_ov5640_rgb565_640x480_udp_pc.rar (8.31 MB, 下载次数: 143)

2019-5-27 12:38 上传

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第四十七章基于OV5640的以太网传输视频实验

在 “基于OV7725的以太网视频传输实验” 中，我们成功地在上位机显示软件上实时显示出了摄像头采集的图像。本章我们将使用FPGA开发板实现对OV5640的数字图像采集，并通过开发板上的以太网接口发送给上位机实时显示。
本章包括以下几个部分：
47.1 以太网视频传输简介
47.2 实验任务
47.3 硬件设计
47.4 程序设计
47.5 下载验证
47.1 以太网视频传输简介
我们在“基于OV7725的以太网视频传输实验” 中对视频传输方案的选择以及UDP传输视频的处理方法等内容作了详细的介绍，如果大家对这部分内容不是很了解的话，请参考“基于OV7725的以太网视频传输实验” 中的以太网视频传输简介部分。
47.2 实验任务
本节实验任务是使用FPGA开发板及OV5640摄像头实现图像采集，并通过开发板上的以太网接口发送给上位机实时显示。
47.3 硬件设计
摄像头扩展接口原理图及OV5640模块说明与“OV5640摄像头VGA显示实验” 完全相同，请参考“OV5640摄像头VGA显示实验” 硬件设计部分。以太网接口部分的硬件设计请参考“以太网通信实验” 中的硬件设计部分。
由于OV5640、以太网接口和SDRAM引脚数目较多且在前面相应的章节中已经给出它们的管脚列表，这里不再列出管脚分配。
47.4 程序设计
图 47.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。对比“基于OV7725的以太网视频传输实验” 的系统框图可以发现，我们只是把外设OV7725模块替换成了OV5640模块，其余模块基本相同（IIC配置模块有差异）。 PLL时钟模块用于为IIC驱动模块和SDRAM控制模块提供驱动时钟，
而UDP模块的驱动时钟是由开发板上的PHY芯片提供。 I2C驱动模块和I2C配置模块用于初始化OV5640图像传感器；摄像头采集模块负责采集摄像头图像数据，并且把图像数据写入SDRAM读写控制模块中； SDRAM读写控制模块负责将用户数据写入和读出片外SDRAM存储器；图像数据封
装模块从SDRAM读写控制模块中读出数据，封装成以太网发送模块的数据格式，包括添加图像的帧头；以太网发送模块发送封装后的图像数据，其发送的CRC校验值由CRC32校验模块负责计算。
OV5640的以太网视频传输系统框图如下图所示：

图 47.4.1 基于OV5640摄像头RGB TFT-LCD显示系统框图

顶层模块的原理图如下图所示：

图 47.4.2 顶层模块原理图

由上图可知， FPGA顶层模块（ov5640_rgb565_640x480_udp_pc）例化了以下七个模块：PLL时钟模块（pll_clk）、 I2C驱动模块（i2c_dri）、 I2C配置模块（i2c_ov5640_rgb565_cfg）、摄像头图像采集模块（cmos_capture_data）、 SDRAM读写控制模块（sdram_top）、图像数据
封装模块（img_data_pkt）和UDP模块（udp）。PLL时钟模块（pll_clk）： PLL时钟模块通过调用锁相环（PLL） IP核来实现，总共输出3个时钟，频率分别为100Mhz、 100Mhz（SDRAM相位偏移时钟）和25Mhz时钟。 100Mhz时钟和100Mhz相位偏移时钟作为SDRAM读写控制模块的驱动时钟， 25Mhz时钟作为I2C驱动模块的驱动时钟。I2C驱动模块（i2c_dri）： I2C驱动模块负责驱动OV5640 SCCB接口总线，用户可根据该模块提供的用户接口可以很方便的对OV5640的寄存器进行配置，该模块和“EEPROM读写实验” 章节中用到的I2C驱动模块为同一个模块，有关该模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”章节。I2C配置模块（i2c_ov5640_rgb565_cfg）： I2C配置模块的驱动时钟是由I2C驱动模块输出的时钟提供的，这样方便了I2C驱动模块和I2C配置模块之间的数据交互。该模块寄存需要配置的寄存器地址、数据以及控制初始化的开始与结束，同时该模块输出OV5640的寄存器地址和数据以及控制I2C驱动模块开始执行的控制信号，直接连接到I2C驱动模块的用户接口，从而完成对OV5640传感器的初始化。有关该模块的详细介绍请大家参考“OV5640摄像头VGA显示实验”章节。
摄像头图像采集模块（cmos_capture_data）：摄像头采集模块在像素时钟的驱动下将传感器输出的场同步信号、行同步信号以及8位数据转换成SDRAM读写控制模块的写使能信号和16位写数据信号，完成对OV5640传感器图像的采集。 OV7725和OV5640图像输出时序非常相似，有
关该模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头VGA显示实验” 章节。SDRAM读写控制模块（sdram_top）： SDRAM读写控制器模块负责驱动SDRAM片外存储器，缓存图像传感器输出的图像数据。该模块将SDRAM复杂的读写操作封装成类似FIFO的用户接口，
非常方便用户的使用。图像数据封装模块（img_data_pkt）：图像数据封装模块负责从SDRAM中读取16位的图像数据，并转换成以太网发送模块方便调用的32位数据，以及添加图像数据的帧头。该模块控制着以太网发送模块发送的字节数，单次发送一行图像数据，模块内部例化了一个同步FIFO模块，用于缓存待发送的图像数据。有关该模块的详细介绍请大家参考“基于OV7725的以太网视频传输实验” 章节。UDP模块（udp）： UDP模块实现以太网通信的收发功能，该模块内部例化了以太网接收模块（ip_receive）、以太网发送模块（ip_send）和CRC32校验模块（crc32_d4）。其中以太网的接收功能并没有用到。有关该模块的详细介绍请大家参考“以太网通信实验” 章节。
顶层模块部分代码如下：
55 //parameter define
56 parameter SLAVE_ADDR = 7'h3c ; //OV5640的器件地址7'h3c
57 parameter BIT_CTRL = 1'b1 ; //OV5640的字节地址为16位 0:8位 1:16位
58 parameter CLK_FREQ = 26'd25_000_000; //i2c_dri模块的驱动时钟频率 25MHz
59 parameter I2C_FREQ = 18'd250_000 ; //I2C的SCL时钟频率,不超过400KHz
60 parameter CMOS_H_PIXEL = 24'd640 ; //CMOS水平方向像素个数,用于设置SDRAM缓存大小
61 parameter CMOS_V_PIXEL = 24'd480 ; //CMOS垂直方向像素个数,用于设置SDRAM缓存大小
62
63 //开发板MAC地址 00-11-22-33-44-55
64 parameter BOARD_MAC = 48'h00_11_22_33_44_55;
65 //开发板IP地址 192.168.1.123
66 parameter BOARD_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd123};
67 //目的MAC地址 ff_ff_ff_ff_ff_ff
68 parameter DES_MAC = 48'hff_ff_ff_ff_ff_ff;
69 //目的IP地址 192.168.1.102
70 parameter DES_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd102};
代码较长，省略部分代码……
216 //图像数据封装模块
217 img_data_pkt
218 #(
219 .CMOS_H_PIXEL (CMOS_H_PIXEL),
220 .CMOS_V_PIXEL (CMOS_V_PIXEL)
221 )
222 u_img_data_pkt(
223 .clk (eth_tx_clk),
224 .rst_n (rst_n & sys_init_done),
225 .img_data (rd_data),
226 .udp_tx_req (udp_tx_req),
227 .udp_tx_done (udp_tx_done),
228 .img_req (rd_en),
229 .udp_tx_start_en (tx_start_en),
230 .udp_tx_data (tx_data),
231 .udp_tx_byte_num (tx_byte_num)
232 );
233
234 //UDP模块
235 udp
236 #(
237 .BOARD_MAC (BOARD_MAC), //参数例化
238 .BOARD_IP (BOARD_IP ),
239 .DES_MAC (DES_MAC ),
240 .DES_IP (DES_IP )
241 )
242 u_udp(
243 .eth_rx_clk (eth_rx_clk ),
244 .rst_n (rst_n ),
245 .eth_rxdv (eth_rxdv ),
246 .eth_rx_data (eth_rx_data ),
247 .eth_tx_clk (eth_tx_clk ),
248 .tx_start_en (tx_start_en ),
249 .tx_data (tx_data ),
250 .tx_byte_num (tx_byte_num ),
251 .tx_done (udp_tx_done ),
252 .tx_req (udp_tx_req ),
253 .rec_pkt_done (),
254 .rec_en (),
255 .rec_data (),
256 .rec_byte_num (),
257 .eth_tx_en (eth_tx_en ),
258 .eth_tx_data (eth_tx_data ),
259 .eth_rst_n (eth_rst_n )
260 );
261
262 endmodule
在代码的第56行定义了OV5640的器件地址，其器件地址为7’ h3c；第57行定义了寄存器地址的位宽， BIT_CTRL=0表示地址位宽为8位， BIT_CTRL=1表示地址位宽为16位。因为OV5640的地址位宽为16位，所以BIT_CTRL设置为1。第60行和第61行分别定义了CMOS输出的水平像素个
数和垂直像素个数，在这里这两个参数用于设置在SDRAM中开辟的缓存大小、配置OV5640的图像分辨率以及控制图像数据封装模块内部的参数。由于上位机按照固定分辨率640*480来解析图像数据，因此CMOS_H_PIXEL=640， CMOS_H_PIXEL=480。
在代码的第64至第70行定义了四个参量：开发板MAC地址BOARD_MAC，开发板IP地址BOARD_IP，目的MAC地址DES_MAC（这里指PC MAC地址），目的IP地址DES_IP（PC IP地址）。开发板的MAC地址和IP地址是我们随意定义的，只要不和目的MAC地址和目的IP地址一样就可以，
否则会产生地址冲突。目的MAC地址这里写的是公共MAC地址（48'hff_ff_ff_ff_ff_ff），也可以修改成电脑网口的MAC地址， DES_IP是对应电脑以太网的IP地址，这里定义的四个参数是向下传递的，需要修改MAC地址或者IP地址时直接在这里修改即可，而不用在udp模块里面修改。
在代码的第229行至第231行代码中，打包发送模块输出的udp开始发送信号（tx_start_en）、tx_data（发送的数据）和tx_byte_num（发送的字节数）连接至udp模块的以太网发送端口，从而控制以太网发送模块的开始发送信号、发送字节数以及发送的数据。
图像数据封装模块负责从SDRAM中读取16位的图像数据，并转换成以太网发送模块方便调用的32位数据，以及添加图像数据的帧头。图像数据封装模块在“基于OV7725的以太网视频传输实验”章节中程序设计部分有着详细的介绍，如果大家对此模块不是很了解的话，请参考“基
于OV7725的以太网视频传输实验” 章节。
47.5 下载验证
首先我们打开 OV5640 的以太网视频传输实验工程，在工程所在的路径下打开ov5640_rgb565_640x480_udp_pc/par 文件夹，在里面找到“ov5640_rgb565_640x480_udp_pc.qpf” 并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数
字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。工程打开后如图 47.5.1所示：

图 47.5.1 OV5640以太网视频传输工程

然后将OV5640摄像头插入开发板上的摄像头扩展接口（注意摄像头镜头朝外），然后将网线一端连接电脑网口，另一端与开发板上的网口连接。再将下载器一端连电脑，另一端与开发
板上对应端口连接，最后连接电源线并打开电源开关。开发板连接实物图如下图所示：

接下来我们下载程序，验证OV5640以太网视频传输上位机显示功能。工程打开后通过点击工具栏中的 “Programmer” 图标打开下载界面，通过 “Add File” 按钮选择ov5640_rgb565_640x480_udp_pc/par/output_files 目录下的“ov5640_rgb565_640x480_udp_pc.sof” 文件。开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup” ，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster[USB-0]” 。然后点击“Start” 将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中，如图 47.5.3所示：

图 47.5.3 程序下载完成界面

程序下载完成后并且硬件连接无误的话，我们可以看到开发板上的以太网接口上的灯会不停的闪烁，说明此时开发板正在向PC传输图像。电脑需要绑定开发板的MAC地址和IP地址才能和开发板进行通信，有关MAC地址和IP地址的绑定方法请大家参考“以太网通信实验” 的下载
验证部分。开发板的MAC地址和IP地址绑定成功后，打开附赠资料提供的以太网视频上位机显示软件，打开的界面如下：

图 47.5.4 视频传输上位机显示软件打开界面

在这里端口号设置为1234，见ip_send模块代码如下所示：
252 //16位源端口号： 1234 16位目的端口号： 1234
253 ip_head[5] <= {16’ d1234,16’ d1234};
端口号设置完成之后，点击开始按钮，此时可以看到上位机显示的图像画面，视频实时显
示界面如下图所示：

图 47.5.5 视频显示实时画面

从上图可以看到，上位机实时显示出了摄像头拍摄的画面，说明以太网视频传输上位机显示实验验证成功。需要注意的是，我们为每幅图像中间增加了时间间隔（图像帧间隙），再加上传输图像所消耗的时间，一秒钟传输9~10帧图像，在拍摄运动的画面中可能会有点卡顿的现
象，但整体看上去图像画面还是比较流畅的。我们现在打开wireshark，界面如下图所示：