基于FPGA的嵌入式千兆以太网相机传输系统的设计

发布时间：2017-04-12 05:21

  本文关键词：基于FPGA的嵌入式千兆以太网相机传输系统的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超高速分幅相机作为一种光学测量工具,在宇航、测绘、高能粒子爆破实验、工业控制中均得到了广泛应用。分幅相机以多个相机对同一目标拍摄,每一路相机产生皮秒级的延时,能检测到目标的连续变化,对瞬间动态的拍摄具有良好的效果,在科研领域具有重大实用价值。高分辨率超高速分幅相机的图像数据量非常大,传统的接口技术已经难以满足图像传输的要求。本设计采用千兆以太网接口技术来解决数据传输的问题,与传统接口技术相比,网络传输具有抗干扰能力强,传输速率快,传输距离远等优点。本设计在论述网络传输的基础上,按网络分层逐层设计系统方案。物理层使用专用物理层芯片88E1111实现,数据链路层使用千兆以太网IP核,网络层直接使用实时操作系统Vxworks含有的UDP/IP协议,应用层在PC机上编写检测程序实现。物理层和数据链路层的网络接口采用GMII接口。整个设计在Virtex-4FPGA上实现一个嵌入式系统。在系统实现过程中,硬件部分着重描述了Virtex-4FPGA的DCM时钟产生单元和三态以太网IP核的功能。软件部分使用EDK平台的XPS构建整个系统框架后,选用PowerPC405处理器,将板级开发支持包BSP移植到实时操作系统Vxworks中,在Tornado中完成嵌入式软件的编写与调试。本设计的创新点是详细阐述了网络的最关键性能指标吞吐量主要跟IP核,处理器性能和内存性能有关。特别是在操作系统中详细分析了软件通过地址映射方式,也就是系统中的总线来访问硬件代码实现软硬件结合。分析总线访问各个模块时得出网络性能也跟内存有关系。内存的指令与处理器交互,数据与IP核交互,而电路板上使用的是SDRAM,因此换用高性能缓存DDR2或者DDR3能提高网络吞吐量。实际测试过程中,影响网络吞吐量的还有网卡和PC机端操作系统,Linux操作系统比Windows系统更适合做网络传输。本文的另一个特色是程序固化上,程序不是直接烧写在系统默认的块RAM内,而是编写启动驱动,将驱动烧写在平台flash上,应用程序和测试程序则烧写在CPLD flash中,上电时先执行启动驱动小段代码,由启动程序引导处理器指针指到应用程序并且开始执行应用程序,这样解决了操作系统本身RAM容量不够的问题,并且掉电时程序不丢失。最后系统验证方式采用Xilinx官方提供的网络检测方式Netperf来检测网络的吞吐量,并且编写应用程序来验证网络传输功能,两者结合保证了设计的正确性。
【关键词】：超高速分幅相机 千兆以太网 FPGA 实时操作系统Vxworks
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN791;TH74
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 超高速分幅相机传输的背景介绍10
• 1.2 国内外研究历史与现状10-13
• 1.2.1 数字相机的发展10-11
• 1.2.2 数据传输技术的发展11-12
• 1.2.3 FPGA及嵌入式技术的发展12-13
• 1.3 本文的主要贡献与创新13-14
• 1.4 本文的结构安排14-16
• 第二章 分幅相机中数据传输系统设计16-23
• 2.1 超高速分幅相机整体系统16-17
• 2.2 网络传输的基础17-18
• 2.3 相机传输系统整体方案及性能指标分析18-20
• 2.4 嵌入式系统软硬件开发平台及工具20-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第三章 千兆以太网传输系统硬件电路设计23-36
• 3.1 物理层芯片电路设计24-30
• 3.1.1 物理层媒介接24-25
• 3.1.2 物理层芯片配置25-27
• 3.1.3 以太网MAC接27-28
• 3.1.4 物理层芯片供电28-29
• 3.1.5 物理层芯片读写操作29-30
• 3.2 FPGA芯片电路设计30-35
• 3.2.1 FPGA芯片选型30-31
• 3.2.2 FPGA时钟设置31-34
• 3.2.3 FPGA烧写配置34-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 千兆以太网IP核的分析和使用36-50
• 4.1 千兆以太网FIFO模块37-39
• 4.2 千兆以太网时钟模块39-41
• 4.3 千兆以太网IP核配置41
• 4.4 千兆以太网IP核帧产生41-46
• 4.5 千兆以太网IP核功能测试46-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第五章 嵌入式以太网系统开发50-77
• 5.1 嵌入式系统开发流程50-53
• 5.1.1 嵌入式系统存储体系52
• 5.1.2 嵌入式系统输入输出设备52
• 5.1.3 嵌入式系统总线52-53
• 5.2 IP核通过PLB总线的读写访问53-60
• 5.3 EDK构建嵌入式千兆以太网系统平台60-63
• 5.3.1 系统架构60-62
• 5.3.2 系统地址分配及系统描述62-63
• 5.4 软硬件协同调试开发63-69
• 5.4.1 板级开发支持包BSP的移植63-64
• 5.4.2 启动驱动bootrom编写64-65
• 5.4.3 Vxworks千兆以太网软件开发65-69
• 5.5 程序固化69-72
• 5.6 嵌入式千兆以太网测试结果及其分析72-76
• 5.6.1 Netperf网络吞吐量测试72-75
• 5.6.2 应用程序测试75-76
• 5.7 本章小结76-77
• 第六章 全文总结与展望77-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-85
• 攻硕期间取得的研究成果85-86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 钟锡昌;嵌入式操作系统在中国的发展现状与前景[J];信息技术与标准化;2002年06期

2 赖冬寅;吴云峰;叶玉堂;王海林;陈镇龙;李毓光;;基于FPGA实现由多路复合信号传输到Camera Link传输的研究[J];电子器件;2009年03期

3 刘存;周晓波;;基于FPGA的嵌入式千兆以太网接口设计[J];光通信技术;2013年02期

4 俞迅;;32位CRC校验码的并行算法及硬件实现[J];信息技术;2007年04期

5 黄英兰;;Tornado目标机服务器实现机制探讨[J];微处理机;2009年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 佟艳艳;VxWorks下VDR系统网络通信技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2005年

  本文关键词：基于FPGA的嵌入式千兆以太网相机传输系统的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：300819