CN108206829B - 基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于嵌入式通信领域，涉及一种基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法。该方法通过对GigE Vison协议进行精简，用硬件描述语言实现了GigE Vision协议的各个功能,该方法不仅降低了实现成本，同时运行速度大大提升。该方法的步骤是：1)搭建网络通信系统；2)建立数据收发通道；3)利用QSPI‑FLASH芯片建立参数存储区域；4)运行底层协议；5)对GVCP协议的处理；6)对GVSP协议的处理。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式通信领域，涉及一种基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法。
背景技术
目前工业相机的通信方式主要包括1394接口，USB接口，ameraLink接口以及千兆网接口。
其中1394协议的通信速度为：800M/s，传输距离为30米；USB接口的通信速度为：5Gb/s，传输距离为：3米；CameraLink接口的通信速度为：5.4Gb/s,传输距离为：3～10米，需要电脑安装采集卡；千兆网接口的通信速度为：1Gb/s，传输距离为：通过交换机，可以任意长。其中,千兆网通信，以其传输距离远，传输速度较高的特点，组网设备数量多,无需数据采集卡的特点，得到了广泛的应用。主流工业相机厂家，国外如德国Balser、日本JAI、英国E2V，加拿大Dalsa，韩国Vieworks，国内如大恒、嘉恒中自、微视图像等，均有多款千兆网通信的工业相机产品。
工业相机能连接到千兆网络系统中，必须运行网络通信协议。TCP/IP协议，是整个通信网络的运行的协议基础。在传输层的协议有TCP协议和UDP协议。TCP协议和UDP协议各具特点：TCP提供IP环境下的数据可靠传输，它提的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据发送。UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能；但是TCP对计算机资源消耗较多，UDP协议简单高效。
针对UDP协议与TCP协议各自的优缺点，国际自动成像协会(AIA)联合各大机器视觉厂商，共同开发了GigE Vision通信协议。
GigE Vision协议模型如图1所示。GigE Visoion协议基于已有千兆以太网通信协议开发，主要包括六个部分：
1.基于UDP协议的GigE Vision控制协议GVCP：该标准定义了如何对设备进行控制和组态。规定了相机和计算机之间发送图像及配置数据的流通道和机制。
2.GigE设备发现机制：该机制提供了搜寻相机IP地址的方法。
3.GigE Vision流控制协议GVSP:该协议涵盖了后数据类型的定义和通过GigE传输图像的方法。
4.基于GenICam标准的XML描述文件，该数据表单提供了相机控制和图像数据流访问的权限
5.底层协议，如：UDP协议、ARP协议、ICMP协议；其中ARP协议用于得到目标设备的MAC地址；UDP协议用于GVCP，GVSP协议数据包的封装以及解封装；ICMP协议主要用于检测设备连接状态。
6.硬件基础，如千兆以太网。
国际自动成像协会(AIA)指定该协议的初衷是，统一工业相机的千兆网通信协议，使不同的公司上位机软件可以方便的控制不同品牌的工业相机，但是如何在工业相机上运行GigE Vision协议进行网络通信，这方面几乎没有相关记载。
目前一些高校和公司在开展这方面的研究。申请号为201510014943.4，发明专利为“基于千兆以太网视觉协议的以太网控制器IP核及方法”，该方案的思路是在FPGA内部生成NIOSII软核，充当处理器，负责进行任务调度，而具体的数据收发，封装，仍由FPGA硬件逻辑语言实现。
这种方案存在的缺陷是NIOSII是基于FPGA内部逻辑资源生成的，会消耗掉FPGA内部大量的ram，不适合低端FPGA实现，增加了实现成本。其次NIOSII运行速度低，远低于ARM，DSP等处理器，无论ALTERA公司还是XILINX公司的SOPC方案，都在向FPGA+ARM架构进化，NIOSII以及Microblaze软核方案，逐渐被放弃。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法，通过对GigE Vison协议进行精简，用硬件描述语言实现了GigEVision协议的各个功能,该方法不仅降低了实现成本，同时运行速度大大提升。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法，包括以下步骤：
1)搭建网络通信系统；
所述网络通信系统包括FPGA芯片、PHY芯片、DDR2芯片以及QSPI-FLASH芯片；
PHY芯片与FPGA芯片连接负责网络数据的收发；DDR2芯片与FPGA芯片连接负责图像数据的缓存；QSPI-FLASH芯片与FPGA芯片连接负责XML文件的存储；
2)建立数据收发通道；
FPGA与PHY芯片通过RGMII接口相连，由FPGA通过MIDO和MDC配置PHY芯片的工作状态，建立数据收发通道；
3)利用QSPI-FLASH芯片建立参数存储区域；
存储区域的存储数据包括两个部分：
(1)相机通用参数，所述相机通用参数包括IP地址、MAC地址；
(2)GigE Vision协议需要的XML文件的ZIP压缩包；XML文件的ZIP压缩包内容包含了GigE Vision的协议版本信息，控制寄存器的地址表以及图像信息寄存器地址表；
4)运行底层协议；
首先进入侦听状态,在FPGA中首先将接收到的PC上位机发送的网络数据包进行解包分析后再进行协议类型判断，并进行相应处理：
如果是ARP协议，则将相机的MAC地址，按照ARP协议进行封装，然后发送给PC上位机；
如果是ICMP协议，则回复相应的icmp协议数据包，表示该相机能够ping通，相机处于在线状态；
如果是UDP协议，则进入下一步的判断，如果数据包发送的目标端口为3956且关键字信息为0x42则判定其为属于GigE Vision协议的数据包；若不是，则不作处理，返回侦听状态；
GigE Vision协议数据包的解析，如果解析的数据内容为GVCP协议，则进行步骤5)的处理，如果解析的数据内容为GVSP协议，则进行步骤6)；如果解析的数据内容不是GVCP协议或GVSP协议中任意一种，则不作处理；
5)对GVCP协议的处理；
GVCP协议的处理包括六种情况：
A、当PC上位机向相机广播发送搜寻命令时，FPGA芯片进行判断，如果属于同一网段的PC上位机，则回复响应搜寻数据包；如果不属于同一网段的PC上位机，不作处理；
B、当PC上位机向相机发送更改IP地址命令时，需要回复IP地址更改成功的确认信息；
C、当PC上位机需要读取相机基本参数信息时，需要从QSPI-FLASH芯片中读取已存储的相机基本参数信息；相机基本参数信息包括设备生产厂家、设备编号、协议版本、XML文件的存储位置以及XML文件的内容；
D、当PC上位机需要写入相机基本参数信息时，则需要将相机基本参数信息写入QSPI-FLASH芯片中进行存储；
E、当PC上位机需要读取相机控制参数信息时，需要从QSPI-FLASH中读取已存储的相机控制参数信息；相机控制参数信息包括曝光时间、触发方式、偏置、增益、图像格式、压缩方式；
F、当PC上位机需要写入相机控制参数信息时，则需要将相机控制参数信息写入QSPI-FLASH芯片中进行存储；
6)对GVSP协议的处理；
GVSP协议的处理包括两种情况：
情况1：当相机接收到PC上位机发送的图像采集命令时：
首先，FPGA芯片发送一幅图像的起始数据帧给PC上位机，其包含的信息包括：图像类型，标号；
然后，FPGA芯片发送该幅图像的完整信息；
最后，FPGA芯片发送该幅图像的结束数据帧；
情况:2：当相机接收到PC上位机发送的图像重传命令时：
FPGA芯片在DDR2芯片中查找需要重传的图像数据所在位置并将其读出，然后发送该图像数据。
本发明的有益效果是：
1.新颖性，由于GigE Vision协议的研究较为稀少，主流工业相机厂商正在逐步推广GigE Vision协议，本发明为一种新颖的实现方案，基于FPGA实现的GigE Vision协议进行通信，针对FPGA运行特点以及对GigE Vision协议的适当精简，成功实现了GigE Vision的正常运行。
2.跨平台性好：本发明与现有的技术相比，采用硬件描述语言Verilog实现，FGPA的选择性比较多，多种不同类型的FPGA均可使用。
3.速度高：使用FPGA运行速度高，以硬件电路的形式存在。
4.通用性好：本发明中的方法工业相机可以仅使用一枚FPGA作为主控芯片，为图像采集模块提供驱动时序，从而节省了工业相机的体积。
5.普适性：经实际测试，在工业相机中运行本发明的方法后，可以在国内外多种工业相机的中实现正常搜寻，连接，命令设置以及图像传输。
附图说明
图1为GigE Vision协议模型；
图2为本发明的流程示意图；
图3为GigE Vision协议图像重传示意图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步的作出详细介绍：
基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法，其具体步骤是：
步骤1)首先要搭接一个网络通信系统；
该系统所需要的主要硬件芯片包括FPGA芯片，PHY芯片，DDR2芯片，QSPI-FLASH芯片：PHY芯片与FPGA芯片连接负责网络数据的收发；DDR2芯片与FPGA芯片连接负责图像数据的缓存；QSPI-FLASH芯片与FPGA芯片连接负责XML文件的存储；
将FPGA芯片内部下载QSPI-FLASH芯片程序后，将网线连接电路板和电脑，上电后，QSPI-FLASH将其存储的pof文件上载进FPGA中，系统开始正常工作；
需要说明的一点是：由FPGA内生产的DDR2 IP核实现数据的读写功能，在FPGA内部实现数据读写的仲裁模块，防止同时读写出现冲突。DDR2的写入的数据，主要是图像采集前端传来的图像数据。DDR2读出的数据，包括两类，一类是正常图像顺序输出；另一类是当传输的图像数据出现丢失时，再从DDR2中查找而输出的数据。
步骤2)建立数据收发通道；
FPGA芯片内部逻辑正常工作后，会通过MDIO和MDC接口配置PHY芯片；PHY芯片通过检测传输介质，并与电脑进行自动协商后，使得网络进入千兆网双工工作模式。
步骤3)利用QSPI-FLASH芯片建立参数存储区域；
存储区域的存储数据包括两个部分：
(1)相机通用参数，所述相机通用参数包括IP地址、MAC地址；
(2)GigE Vision协议需要的XML文件的ZIP压缩包；XML文件的ZIP压缩包内容包含了GigE Vision的协议版本信息，控制寄存器的地址表以及图像信息寄存器地址表；
步骤4)运行GigE Vision协议，其运行的逻辑图如图2所示：
首先进入侦听状态,在FPGA中首先将接收到的PC上位机发送的网络数据包进行解包分析后再进行协议类型判断，并进行相应处理：
如果是ARP协议，则将相机的MAC地址，按照ARP协议进行封装，然后发送给PC上位机；
如果是ICMP协议，则回复相应的icmp协议数据包，表示该相机能够ping通，相机处于在线状态；
如果是UDP协议，则进入下一步的判断，如果数据包发送的目标端口为3956且关键字信息为0x42则判定其为属于GigE Vision协议的数据包；若不是，则不作处理，返回侦听状态；
GigE Vision协议数据包的解析，如果解析的数据内容为GVCP协议，则进行步骤5)的处理，如果解析的数据内容为GVSP协议，则进行步骤6)；如果解析的数据内容不是GVCP协议或GVSP协议中任意一种，则不作处理；
步骤5)对GVCP协议的处理；
GVCP协议的处理包括六种情况：
A、当PC上位机向相机广播发送搜寻命令时，FPGA芯片进行判断，如果属于同一网段的PC上位机，则回复响应搜寻数据包；如果不属于同一网段的PC上位机，不作处理；搜寻数据包包括本相机的MAC地址，IP地址、子网掩码，协议版本，厂家信息等。
B、当PC上位机向相机发送更改IP地址命令时，则获取新的IP地址和子网掩码信息，然后更新相机的IP地址，并回复确认信息。
C、当PC上位机需要读取相机基本参数信息时，需要从QSPI-FLASH芯片中读取已存储的相机基本参数信息；相机基本参数信息包括设备生产厂家、设备编号、协议版本、XML文件的存储位置以及XML文件的内容；
D、当PC上位机需要写入相机基本参数信息时，则需要将相机基本参数信息写入QSPI-FLASH芯片中进行存储；
E、当PC上位机需要读取相机控制参数信息时，需要从QSPI-FLASH中读取已存储的相机控制参数信息；相机控制参数信息包括曝光时间、触发方式、偏置、增益、图像格式、压缩方式；
F、当PC上位机需要写入相机控制参数信息时，则需要将相机控制参数信息写入QSPI-FLASH芯片中进行存储；
步骤6)对GVSP协议的处理；
GVSP协议的处理包括两种情况：
情况1：当相机接收到PC上位机发送的图像采集命令时：
首先，FPGA芯片发送一幅图像的起始数据帧给PC上位机，其包含的信息包括：图像类型，标号；
然后，FPGA芯片发送该幅图像的完整信息；
最后，FPGA芯片发送该幅图像的结束数据帧；
情况:2：当相机接收到PC上位机发送的图像重传命令时：
FPGA芯片在DDR2芯片中查找需要重传的图像数据所在位置并将其读出，然后发送该图像数据，具体见图3。
Claims (1)
1.一种基于FPGA实现GigE Vision协议进行网络通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)搭建网络通信系统；
所述网络通信系统包括FPGA芯片、PHY芯片、DDR2芯片以及QSPI-FLASH芯片；
PHY芯片与FPGA芯片连接负责网络数据的收发；DDR2芯片与FPGA芯片连接负责图像数据的缓存；QSPI-FLASH芯片与FPGA芯片连接负责XML文件的存储；
2)建立数据收发通道；
FPGA与PHY芯片通过RGMII接口相连，由FPGA通过MIDO和MDC配置PHY芯片的工作状态，建立数据收发通道；
3)利用QSPI-FLASH芯片建立参数存储区域；
存储区域的存储数据包括两个部分：
(1)相机通用参数，所述相机通用参数包括IP地址、MAC地址；
(2)GigE Vision协议需要的XML文件的ZIP压缩包；XML文件的ZIP压缩包内容包含了GigE Vision的协议版本信息，控制寄存器的地址表以及图像信息寄存器地址表；
4)运行底层协议；
首先进入侦听状态,在FPGA中首先将接收到的PC上位机发送的网络数据包进行解包分析后再进行协议类型判断，并进行相应处理：
如果是ARP协议，则将相机的MAC地址，按照ARP协议进行封装，然后发送给PC上位机；
如果是ICMP协议，则回复相应的icmp协议数据包，表示该相机能够ping通，相机处于在线状态；
如果是UDP协议，则进入下一步的判断，如果数据包发送的目标端口为3956且关键字信息为0x42则判定其为属于GigE Vision协议的数据包；若不是，则不作处理，返回侦听状态；
GigE Vision协议数据包的解析，如果解析的数据内容为GVCP协议，则进行步骤5)的处理，如果解析的数据内容为GVSP协议，则进行步骤6)；如果解析的数据内容不是GVCP协议或GVSP协议中任意一种，则不作处理；
5)对GVCP协议的处理；
GVCP协议的处理包括六种情况：
A、当PC上位机向相机广播发送搜寻命令时，FPGA芯片进行判断，如果属于同一网段的PC上位机，则回复响应搜寻数据包；如果不属于同一网段的PC上位机，不作处理；
B、当PC上位机向相机发送更改IP地址命令时，需要回复IP地址更改成功的确认信息；
C、当PC上位机需要读取相机基本参数信息时，需要从QSPI-FLASH芯片中读取已存储的相机基本参数信息；相机基本参数信息包括设备生产厂家、设备编号、协议版本、XML文件的存储位置以及XML文件的内容；
D、当PC上位机需要写入相机基本参数信息时，则需要将相机基本参数信息写入QSPI-FLASH芯片中进行存储；
E、当PC上位机需要读取相机控制参数信息时，需要从QSPI-FLASH中读取已存储的相机控制参数信息；相机控制参数信息包括曝光时间、触发方式、偏置、增益、图像格式、压缩方式；
F、当PC上位机需要写入相机控制参数信息时，则需要将相机控制参数信息写入QSPI-FLASH芯片中进行存储；
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情况1：当相机接收到PC上位机发送的图像采集命令时：
首先，FPGA芯片发送一幅图像的起始数据帧给PC上位机，其包含的信息包括：图像类型，标号；
然后，FPGA芯片发送该幅图像的完整信息；
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