1 概述

GigE Vision是一個比較復雜的協議，要在FPGA中完全實現具有較大的難度。如果FPGA作為接收端希望實現GigE Vision相機的配置和圖像采集功能，則只需要實現其中小部分功能即可。本文對原有GigE Vision協議的結構進行了裁剪，僅保留設備搜索、寄存器配置和圖像采集三個主要功能。并在FPGA中成功實現了對Basler GIGE相機的配置和圖像實時采集。

2 GigE Vision協議

GigE Vision協議包含GVCP（GigE Vision Control Protocol）和GVSP（GigE Vision Streaming Protocol）兩部分。其中，GVCP負責對相機進行配置，GVSP負責控制圖像數據的傳輸。

2.1 GVCP協議

GVCP協議規定了應用程序通過以太網配置和控制外部設備的準則，設備的配置過程采用了指令（CMD）和應答（ACK）的方式。以外部主機和相機為例，首先，主機通過以太網向相機發送指令包，然后等待相機返回當前指令的應答包；相機接收到指令包后執行相應的操作，而后向主機返回應答包。主機收到應答包后，根據應答包中的狀態信息判斷指令是否執行成功，若執行成功則繼續發送下一個指令包，否則重新發送當前指令包。該方式彌補了UDP協議面向無連接的缺點，保證了數據傳輸的完整性和可靠性。

GVCP包含兩種格式的數據包：指令包和應答包，指令包首部為：

在指令包首部中，0x42為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字段代表指令的類型，length字段代表指令包中除首部外，載荷數據的長度（單位：字節），req_id代表指令包的序號。

應答包首部為：

在應答包首部中，status字段代表指令包的執行狀態，acknowledge字段代表應答包的類型，length字段代表應答包中除首部外，載荷數據的長度（單位：字節），ack_id代表應答包的序號。

設計中使用了兩種指令包：設備搜索（DISCOVERY）和寫寄存器(WRITEREG)。

2.1.1 設備搜索（DISCOVERY）

設備搜索指令用于接收端（FPGA）尋找所在的子網中的GIGE發送設備（相機）。通過搜索指令DISCOVERY_CMD實現。

搜索指令包格式：

設計中的搜索指令包格式為：

對應的搜索應答包DISCOVERY_ACK為格式：

在搜索應答包中，包含了相機的各個主要參數，包括相機的生產商、版本、名稱、序列號、IP地址、MAC地址等信息，載荷數據的長度為248字節。設計中所關心的是相機的IP地址和MAC地址信息，其中MAC地址位于載荷數據的第11~16字節部分，IP地址位于第37~40字節部分。

2.1.2 寫寄存器(WRITEREG)

寫寄存器指令用于配置相機的參數，通過WRITEREG_CMD指令實現。

寫寄存器指令包格式：

在寫寄存器指令包中，register_address字段代表32位的寄存器地址，register_data字段代表所要寫入的32位寄存器值。在設計中，每次只配置一個寄存器，因此只包含一個register_address和register_data字段。

因此，設計中的寫寄存器包格式如下：

對應的寫寄存器應答包WRITEREG_ACK格式：

在應答包中，status字段的值為0x0000，代表寫寄存器指令執行成功，index字段代表配置成功的寄存器個數，對于每次配置1個寄存器而言，該字段的值為0x0001。

因此，設計中的寫寄存器應答包格式如下：

2.2 GVSP協議

GVSP協議規定了GVSP發送方向GVSP接收方傳輸圖像數據和圖像信息的一系列準則。GVSP協議以數據塊（Data Block）為單位進行數據傳輸，通常使用標準傳輸模式。該模式包含3種格式的數據包：頭數據包（Data Leader Packet）、載荷數據包（Data Payload Packet）和尾數據包（Data Trailer Packet），頭數據包和尾數據包作為每個數據塊的首尾界定，不包含圖像數據；載荷數據包則作為數據塊中數據的傳輸載體，包含了有效的圖像數據。

3種數據包具有相同的GVSP首部，格式如下：

在GVSP首部中，status字段代表數據包的狀態，block_id代表數據塊的序號，packet_id代表當前數據塊中數據包的序號（頭數據包的packet_id總為0），packet_format字段代表數據包的類型（頭數據包、載荷數據包、尾數據包）。EI字段代表擴展block_id和packet_id的標志位，當EI=0時，block_id為16bit，packet_id為24bit，此時的首部長度為8字節；當EI=1時，block_id為64bit，packet_id為32bit，此時的首部長度為20字節。

設計中不對頭數據包和尾數據包進行處理，僅根據packet_format字段從數據流中提取包含圖像數據的載荷數據包，并由EI位判斷首部的長度，準確剝除載荷數據包的首部后，便可得到有效的圖像數據。為了保證圖像傳輸的實時性，不對status字段進行判斷，對于傳輸錯誤的圖像數據仍作為有效數據輸出。

3 UDP IP協議

GigE Vision是基于UDP協議進行數據傳輸的。因此，要實現FPGA與相機間的GVCP和GVSP通信，還需要設計網絡通信協議。按照GigE Vision協議的要求，需要設計的網絡協議還是比較多的。從FPGA與相機之間實現點對點數據傳輸的角度出發，只要實現基本的UDP 、IP和MAC三種協議即可。由于相機可以設置為固定IP地址，而且相機的IP地址和MAC地址都可以通過FPGA發送DISCOVERY指令獲取。所以ARP協議可以不在FPGA中實現。

對于UDP和IP協議，只需要實現UDP和IP首部的添加和移除功能，其他功能可以不做。MAC協議在FPGA廠商的開發環境中均提供了IP。當然自己也可以設計一個MAC，只需要實現基本的MAC首部移除、添加以及CRC32校驗功能即可。

4 FPGA工作流程

從相機的配置到圖像的采集整個流程為：

可分為5個步驟，具體過程如下：

（1）FPGA向其所屬子網發送UDP廣播包搜尋所連接的相機。GVCP的UDP端口號為3956，除此之外，FPGA和相機的IP地址必須屬于同一個子網段，否則相機將無法應答搜索包。

（2）FPGA等待相機返回應答包，并從中提取相機的IP地址和MAC地址，作為發送數據包的IP首部和MAC首部中的目的地址。

（3）FPGA發送寫寄存器指令包，依次配置相機的各功能寄存器，對其工作參數進行設置。

（4）FPGA發送寫采集使能寄存器指令包，觸發相機進行圖像采集和傳輸。

（5）FPGA從相機接收GVSP數據包，從中提取出有效的圖像數據。

原文鏈接：

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