基于FPGA的GigE Vision相机图像采集方案设计

        GigE Vision是一个比较复杂的协议，要在FPGA中完全实现具有较大的难度。如果FPGA作为接收端希望实现GigE Vision相机的配置和图像采集功能，则只需要实现其中小部分功能即可。本文对原有GigE Vision协议的结构进行了裁剪，仅保留设备搜索、寄存器配置和图像采集三个主要功能。并在FPGA中成功实现了对Basler GIGE相机的配置和图像实时采集。

        GigE Vision协议包含GVCP（GigE Vision Control Protocol）和GVSP（GigE Vision Streaming Protocol）两部分。其中，GVCP负责对相机进行配置，GVSP负责控制图像数据的传输。

    GVCP协议规定了应用程序通过以太网配置和控制外部设备的准则，设备的配置过程采用了指令（CMD）和应答（ACK）的方式。以外部主机和相机为例，首先，主机通过以太网向相机发送指令包，然后等待相机返回当前指令的应答包；相机接收到指令包后执行相应的操作，而后向主机返回应答包。主机收到应答包后，根据应答包中的状态信息判断指令是否执行成功，若执行成功则继续发送下一个指令包，否则重新发送当前指令包。该方式弥补了UDP协议面向无连接的缺点，保证了数据传输的完整性和可靠性。

    GVCP包含两种格式的数据包：指令包和应答包，指令包首部为：

        在指令包首部中，0x42为GVCP指令包的固定字段，flag字段包含了不同指令的特定信息，command字段代表指令的类型，length字段代表指令包中除首部外，载荷数据的长度（单位：字节），req_id代表指令包的序号。

        应答包首部为：

        在应答包首部中，status字段代表指令包的执行状态，acknowledge字段代表应答包的类型，length字段代表应答包中除首部外，载荷数据的长度（单位：字节），ack_id代表应答包的序号。

        设计中使用了两种指令包：设备搜索（DISCOVERY）和写寄存器(WRITEREG)。

        设备搜索指令用于接收端（FPGA）寻找所在的子网中的GIGE发送设备（相机）。通过搜索指令DISCOVERY_CMD实现。

搜索指令包格式：

        设计中的搜索指令包格式为：

         对应的搜索应答包DISCOVERY_ACK为格式：

        在搜索应答包中，包含了相机的各个主要参数，包括相机的生产商、版本、名称、序列号、IP地址、MAC地址等信息，载荷数据的长度为248字节。设计中所关心的是相机的IP地址和MAC地址信息，其中MAC地址位于载荷数据的第11~16字节部分，IP地址位于第37~40字节部分。

        写寄存器指令用于配置相机的参数，通过WRITEREG_CMD指令实现。

        写寄存器指令包格式：

        在写寄存器指令包中，register_address字段代表32位的寄存器地址，register_data字段代表所要写入的32位寄存器值。在设计中，每次只配置一个寄存器，因此只包含一个register_address和register_data字段。

        因此，设计中的写寄存器包格式如下：

        对应的写寄存器应答包WRITEREG_ACK格式：

        在应答包中，status字段的值为0x0000，代表写寄存器指令执行成功，index字段代表配置成功的寄存器个数，对于每次配置1个寄存器而言，该字段的值为0x0001。

        因此，设计中的写寄存器应答包格式如下：

         GVSP协议规定了GVSP发送方向GVSP接收方传输图像数据和图像信息的一系列准则。GVSP协议以数据块（Data Block）为单位进行数据传输，通常使用标准传输模式。该模式包含3种格式的数据包：头数据包（Data Leader Packet）、载荷数据包（Data Payload Packet）和尾数据包（Data Trailer Packet），头数据包和尾数据包作为每个数据块的首尾界定，不包含图像数据；载荷数据包则作为数据块中数据的传输载体，包含了有效的图像数据。

        3种数据包具有相同的GVSP首部，格式如下：

        在GVSP首部中，status字段代表数据包的状态，block_id代表数据块的序号，packet_id代表当前数据块中数据包的序号（头数据包的packet_id总为0），packet_format字段代表数据包的类型（头数据包、载荷数据包、尾数据包）。EI字段代表扩展block_id和packet_id的标志位，当EI=0时，block_id为16bit，packet_id为24bit，此时的首部长度为8字节；当EI=1时，block_id为64bit，packet_id为32bit，此时的首部长度为20字节。

        设计中不对头数据包和尾数据包进行处理，仅根据packet_format字段从数据流中提取包含图像数据的载荷数据包，并由EI位判断首部的长度，准确剥除载荷数据包的首部后，便可得到有效的图像数据。为了保证图像传输的实时性，不对status字段进行判断，对于传输错误的图像数据仍作为有效数据输出。

        GigE Vision是基于UDP协议进行数据传输的。因此，要实现FPGA与相机间的GVCP和GVSP通信，还需要设计网络通信协议。按照GigE Vision协议的要求，需要设计的网络协议还是比较多的。从FPGA与相机之间实现点对点数据传输的角度出发，只要实现基本的UDP 、IP和MAC三种协议即可。由于相机可以设置为固定IP地址，而且相机的IP地址和MAC地址都可以通过FPGA发送DISCOVERY指令获取。所以ARP协议可以不在FPGA中实现。

        对于UDP和IP协议，只需要实现UDP和IP首部的添加和移除功能，其他功能可以不做。MAC协议在FPGA厂商的开发环境中均提供了IP。当然自己也可以设计一个MAC，只需要实现基本的MAC首部移除、添加以及CRC32校验功能即可。

        从相机的配置到图像的采集整个流程为：

        可分为5个步骤，具体过程如下：

    （1）FPGA向其所属子网发送UDP广播包搜寻所连接的相机。GVCP的UDP端口号为3956，除此之外，FPGA和相机的IP地址必须属于同一个子网段，否则相机将无法应答搜索包。

    （2）FPGA等待相机返回应答包，并从中提取相机的IP地址和MAC地址，作为发送数据包的IP首部和MAC首部中的目的地址。

    （3）FPGA发送写寄存器指令包，依次配置相机的各功能寄存器，对其工作参数进行设置。

    （4）FPGA发送写采集使能寄存器指令包，触发相机进行图像采集和传输。

    （5）FPGA从相机接收GVSP数据包，从中提取出有效的图像数据。

        需要工程源码的请私信，付费有偿提供。