[發明專利]基于千兆以太網視覺協議的以太網控制器IP核及方法

有效

• 申請號: 201510014943.4
• 申請日: 2015-01-12
• 公開（公告）號: CN104572574B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 葉莉華;姚克奇;杭建軍;涂平平;彭佩紅;薛扣粉;崔一平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F15/78
• 分類號: G06F15/78;H04L12/801
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明涉及一種圖像采集系統，特別涉及一種基于千兆以太網視覺(GigE Vision)協議的嵌入式圖像采集系統中的千兆以太網控制單元。

背景技術

目前圖像采集設備主要分為兩個方向，一是基于個人計算機(Personal Computer，PC)機的圖像采集卡，二是基于嵌入式微處理器的圖像采集系統。

由于外部控制器接口(Peripheral Component Interconnect，PCI)總線接口帶寬較低，并且采用共享式總線結構，因此基于PCI總線的圖像采集卡產品已經基本被淘汰。雖然新一代PCI Express總線相比于傳統的PCI總線的性能有了很大的提升，但是其仍然無法解決PC系統實時性差、穩定性不好以及成本高等問題，因此，基于PC的圖像采集卡產品已經很難滿足現代工業檢測的需求。目前，主流的圖像采集設備主要是基于嵌入式微處理器的圖像采集系統。

隨著信息化發展速度的加快，人們對視頻圖像傳輸帶寬的需求也日益增加。當前主流的相機接口標準Camera Link接口、IEEE1394接口、USB接口等已經不能滿足人們對圖像信息攝取速度的要求。不同的是，千兆以太網(GigE)接口以千兆以太網作為數據傳輸接口，在實現圖像數據傳輸的同時，無需額外的采集設備，并且具有絕對的帶寬優勢。

但是，目前基于普通千兆以太網控制器的圖像采集系統主要存在以下兩個重要的問題：

一是為了實現GigE Vision協議，設計必須使用通用的以太網控制器。這樣面向通用功能而設計的以太網控制器，往往結構比較復雜，資源占用量大。二是CPU占用率過高。為了接收圖像數據，必須使用軟件對以太網協議(Internet Protocol，IP)、用戶數據報協議(User Datagram Protocol，UDP)以及GigE Vision協議數據進行層層過濾，這必然會增加中央處理機(Central Processing Unit，CPU)的處理負擔，提高CPU占用率。

申請號為201010603189.5，發明專利名稱為“一種基于FPGA和DSP的機器視覺系統”，該系統使用FPGA內部硬件電路實現圖像的采集和預處理，使用DSP實現系統的邏輯控制和圖像的高級處理。該系統的圖像采集模塊有以下幾個缺陷：

(1)以太網控制器使用10/100/1000M三速以太網介質訪問控制器，雖然功能強大，但是其實現需要消耗4800多個邏輯單元、5300多個寄存器資源以及19000多字節的存儲資源，資源消耗量巨大，增加了硬件開發的成本；

(2)軟件使用μC/OS系統進行任務調度，IP、UDP協議封包和解析使用系統提供的軟件協議棧，軟件復雜度高，系統負擔大，實時性差；

(3)GigE Vision協議的實現由軟件完成，由于嵌入式系統實時性的限制，必然會影響丟包情況的判斷，造成圖像數據的缺失和損壞。

申請號為201310328995.X，發明專利名稱為“一種基于GigE接口的嵌入式并行多路數字圖像采集系統”，該系統使用基于GigE接口的數字圖像采集嵌入式設備對多路GigE相機圖像進行采集，并根據上位機的命令向上位機傳輸圖像數據，其重點在于對多路圖像信號進行采集，并上傳到PC機進行處理。該系統有以下幾點缺陷：

(1)其網絡數據收發采用通用以太網控制器，IP、UDP等網絡協議的實現仍需軟件實現系統負擔大，CPU占用率高；

(2)接收到的網絡數據需要由系統仲裁模塊進行實時搬運，才能被GigE協議解析模塊讀取，GigE協議解析模塊解析得到的圖像數據又必須由系統仲裁模塊讀取后，再存入相應的存儲器。這種機制使得大量的數據在總線上來回傳輸，大大增加了總線占用率，提高系統仲裁模塊的復雜度，影響系統的實時性；

(3)該系統雖然使用硬件資源對GigE接口數據包進行解析，但是未針對GVSP協議進行硬件上的優化，數據包的重發機制仍需軟件實現，很難達到較高的實時性，影響圖像數據的完整性和圖像接收的幀率。

發明內容

發明目的：