基于千兆以太网的图像采集系统设计

一套完整的视频监控系统设计方案一、系统设计描述本工程生产视频监控系统由主厂房区域、辅助车间区域等部分组成，主厂房区域、辅助车间生产区域、安防区域视频监视系统联网组成本期工程的生产视频监视系统，通过在上述各区域内安装的网络监控摄像机组成数字化生产视频监控系统，把数字视频集成在一个统一的平台上，采用分布式集中管理的控制模式进行管理和控制，通过权限控制，系统局域网任意一台计算机用户登录后，即可显示全部其有权限的监控点位，用户可对其进行实时观看、控制、历史回放或下载，实现整个生产区域视频监视系统的网络化、数字化和智能化。

采用IP系统架构，系统由前端IP摄像机、存储管理服务器、视频管理服务器、解码器、电视墙等组成，系统由1000M/100M以太局域网、网络摄像机、区域网络交换机、主干网络交换机、监控中心管理平台、IP存储设备和监视终端等组成。

联网通讯介质应采用六类网线（不超过90米）或光纤（超过90米），通讯用的六类网线、光纤和监视用视频电缆不应有中间连接头，通讯协议采用TCP/IP。

基建施工阶段在拼装现场和备品备件存放现场需加装高清摄像机监控采用永临结合、有线无线融合方案实施，周界围墙区域如无特殊情况采用永久方案实施，通讯及电源传输一次性敷设到位，后期尽量不作移位；施工期监控点位根据现场各施工单位进场时间及施工进度、区域即时设置，采用有线无线融合方式进行信号传输，电源利用就近施工配电取电（根据现场情况及需求调整）；整个燃机施工场地圈定的周界范围、厂区内出入口、厂区内重要通道、重要部门等区域达到视频系统全覆盖；燃机投运后在拆除临时监控点位后，依然要保证燃机周边视频监控全覆盖，在燃机高点加装高点位监控，达到整个燃机厂区外围的全画面显示。

所有配电室区域、配电层应实现无死角监控，与鹰眼系统整合，实现人员进入配电室后摄像头之间自动切换跟踪，人员操作时定点监控；汽机房和燃气轮机房区域重要设备、通道全部监控；余热锅炉汽包和钢架区域每层全面监控。

千兆网工业相机技术之GigE接口
千兆网工业相机技术之Gigabit Ethernet (GigE)接口
GigE 接口是工业应用所新开发的一种图像接口技术，以Gigabit Ethernet 协议为标准，主要用做高速、大数据量的图像传输，远距离图像传输及降低远距离传输时电缆线的成本。

可通过一台控制单元对多台千兆网工业相机进行图像采集，目前千兆网工业相机已逐步代替其他接口成为主流，MV-VE系列产品是基于该接口研发生产的中高端千兆网工业相机。

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1、全球标准
在全球网络连接中占97%
2、独立全双工连接
连接之间无带宽共享，这不是第一流的链路
通过电缆或者光纤实现双向连续数据传输
3、较高的可扩展性
10/100 Mb/s, 1 Gb/s (GigE), 10 Gb/s (10GigE)
4、高级的QoS特性
适合对延时要求较高的传输（语音，视频）
核心协议可以扩展来支持高性能应用
5、高可靠性
错误控制和包重发能力
6、支持无线传输
802.11标准接口
IP传输协议
7、TCP (Transmission Control Protocol)
验证所有传输→确保数据包接收
传输效率低下
8、UDP (User Datagram Protocol) 传输效率很高
不保证数据包的正确接收
9、RTP (Real-Time Protocol) 为低速多媒体流设计
不保证数据包的正确接收
10、千兆网GigE VS 其他标准
11、工业数字相机接口类型。

基于FPGA的千兆以太网设计一、简介以太网是一种广泛应用于局域网（LAN）的计算机通信技术，其标准化是由IEEE 802.3委员会负责，最初的速度为10Mbps。

随着技术的进步，千兆以太网（Gigabit Ethernet）逐渐成为了主流。

基于现场可编程门阵列（FPGA）的千兆以太网设计能够实现高速数据传输和灵活性，并在计算机网络中发挥着重要作用。

二、设计原理1.物理层（PHY）：物理层负责将数字数据转换为模拟信号，并通过以太网的物理介质进行传输。

常用的物理介质包括双绞线、光纤和同轴电缆。

PHY通常实现了数模转换、模数转换、时钟同步、编解码、调制解调等功能。

2. 介质访问控制层（MAC）：MAC负责协调和管理数据帧在网络中的传输。

它包括数据帧的封装和解封、MAC地址的识别和过滤、数据流的调度和控制等功能。

MAC层通常基于协议进行设计，如以太网交换机的MAC层使用了以太网交换协议（Ethernet Switching Protocol）。

3.高层协议：高层协议负责定义数据帧的格式和传输规则，以及实现数据帧的路由和转发。

常见的高层协议包括网际协议（IP）、传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）等。

设计过程中，首先需要实现PHY层的功能，包括数模转换、调制解调等。

这需要使用FPGA的模拟和数字混合信号处理能力。

接下来，设计和实现MAC层的功能，包括数据帧的封装和解封、MAC地址的识别和过滤等。

最后，根据具体应用需求，添加高层协议的功能和实现数据帧的路由和转发。

三、设计优势1.高性能：FPGA具有并行运算能力和硬件加速特性，能够实现高速数据处理和传输。

相比于软件实现，FPGA可以大大提高系统的性能和响应速度。

2.灵活性：FPGA的可重构特性使得设计可以根据需求进行定制和修改。

设计人员可以根据具体应用需求添加或删除功能模块，并通过重新编程实现更新和升级。

3.低功耗：FPGA的硬件实现相比于软件实现能够更好地利用资源，并减少功耗。

本技术涉及一种图像采集系统，其能够适用于对不同分辨率、不同图像输出接口的相机，并且具备自检功能，实现对自身系统误差进行检测，大大提高了图像采集工作的工作效率和可靠性。

该系统包括相机和上位机；还包括分别与相机和上位机相互通讯的相机通用检测设备；相机通用检测设备包括子板以及母板；子板包括第一基板、设置在第一基板上的N个相机接口、N个接口芯片、N个电平转换芯片以及第一电连接器；母板包括第二基板、设置在第二基板上的电源模块、第二电连接器、FPGA芯片、SDRAM芯片、串行UART接口以及数据传输接口；第一电连接器和第二电连接器是板间电连接器，通过这两个电连接器将第一基板和第二基板互联起来。

技术要求1.一种图像采集系统，包括相机和上位机；其改进之处在于：还包括分别与相机和上位机相互通讯的相机通用检测设备；相机通用检测设备包括子板以及母板；子板包括第一基板、设置在第一基板上的N个相机接口、N个接口芯片、N个电平转换芯片以及第一电连接器；母板包括第二基板、设置在第二基板上的电源模块、第二电连接器、FPGA芯片、SDRAM芯片、串行UART接口以及数据传输接口；第一电连接器和第二电连接器是板间电连接器，通过这两个电连接器将第一基板和第二基板互联起来；相机图像输出接口与第一基板上的接口芯片、相机接口、电平转换芯片电连接，用于对图像数据进行传输和处理；第二基板上的SDRAM芯片、串行UART接口以及数据输出接口均与FPGA芯片电连接；串行UART接口与上位机电连接用于接收上位机发送的控制指令，数据输出接口与上位机通过千兆以太网实现物理连接，通过标准的UDP协议实现相互通讯；电源模块用于给相机供电。

2.根据权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于：所述FPGA芯片上运行的模块包括：图像接口控制模块、图像数据缓存模块、虚拟相机控制模块、以太网数据打包模块、以太网发送模块、SDRAM控制模块以及UART模块；图像接口控制模块针对不同的接口的相机产生不同的时序接口波形，控制接口芯片完成相机图像数据的正确采集；图像数据缓存模块将采集到的图像数据缓存到FPGA内部的FIFO中，并在缓存到特定FIFO深度的时候，通知以太网数据打包模块读取FIFO内部的数据，并按照协议进行打包；虚拟相机控制模块根据上位机的指令设置，产生不同分辨率的15个虚拟相机图像，且在同一时刻，只产生一种虚拟相机图像用于对相机自身进行检测；以太网数据打包模块根据上位机的指令设置，选择“图像数据缓存模块”或者“虚拟相机控制模块”的其中一个，读取其中的数据进行以太网数据打包；以太网发送模块依据千兆以太网接口的RGMII接口时序，将打包后的数据，通过RGMII接口发送出去；SDRAM控制模块在FPGA内部的FIFO有限的情况下，将部分要缓存的数据缓存到SDRAM芯片中；UART模块用于实现与上位机或者其他UART接口之间的数据通讯，实时回报相机通用检测设备的工作状态。

高性能PCI Express x4千兆PoE图像采集卡/PoE网卡产品型号：LREC9714HT-PoE产品名称：PCI Express x4千兆PoE图像采集卡/PoE网卡插口类型：RJ45口/网口产品芯片：英特尔I350AM4传输速率：10/100/1000Mbps传输介质：铜缆适用网络类型：以太网应用领域：机器视觉，视觉检测,工业控制,智能交通.产品概述LREC9714HT-PoE是深圳市联瑞电子有限公司基于Inetl I350AM4芯片方案而自主研发的一款PCI Express x4高性能千兆四口PoE以太网适配卡(以下简称网卡)，同时兼容PCIex8、x16通道。

LREC9714HT-PoE提供4个标准PoE供电端口(支持POE功能)。

每个端口可提供15.4W/48V的功率和1000Mb/s的带宽；采用IEEE802.3af and802.3at compliant PoE供电标准；支持9KB巨型帧，支持链路聚合，1000Mb/s的带宽，足以满足各种高清传输要求。

LREC9714HT-PoE在基于英特尔服务器I350AM4四端口以太网MAC+PHY（媒体接入控制器和物理接口收发器）控制器上开发出来的，在千兆位以太网连接中最高时可同时允许四个端口以全双工的工作模式工作以适应高性能网络通信，可以通过链路聚合扩展带宽又可以节约PCI Express通道资源，同时不会占用总线带宽。

同时支持PCI-SIG Single-Root I/O virtualization and sharing specification(SR-IOV)（单根I/O虚拟和共享规范）。

LREC9714HT-PoE该款POE网卡设计主要应用于服务器及高端设备，是市场同类产品中，性能最高的一款产品，其超高的性能和可靠性，可以兼容IEEE802.3af and802.3at标准的各种工业相机和摄像头，广泛应用于机器视觉检测，安防监控、医学成像、智能交通等领域。