基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及图像传输与控制系统领域，具体涉及一种基于ZYNQ‑7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统及方法，解决现有基于FPGA的千兆网图像传输系统采用UDP协议，图像数据容易丢失且无重传功能等问题，该系统包括前端电路和后端电路；前端电路包括CCD图像采集芯片、放大电路和A/D模数转换单元；后端电路包括ZYNQ‑7000芯片、DDR存储芯片、EEPROM芯片、QSPI FLASH芯片和PHY芯片；EEPROM芯片、QSPI FLASH芯片、DDR存储芯片、PHY芯片分别与ZYNQ‑7000芯片连接；ZYNQ‑7000芯片包括数据格式转换单元、数据通道单元、命令通道单元、命令格式转换单元、网络通信单元、命令解析单元以及运行于ZYNQ‑7000芯片上的FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统运行TCP/IP协议栈；本发明专利技术还提供了一种基于上述系统的图像传输与控制方法。

【技术实现步骤摘要】
基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统及方法
本专利技术涉及图像传输与控制系统领域，具体涉及一种基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统及方法。
技术介绍
在科学研究中，常常在微光条件下对物体进行观察和定量分析，此时需要有高灵敏度、低噪声、高线性度以及大动态范围的仪器设备进行图像数据的采集处理，而图像数据采集后能否及时的、准确的传输到PC上位机中，将直接关系到图像采集设备的实用性、可靠性以及图像数据指标。此外，有些观测条件甚至会对观测人员造成伤害，此时需要图像采集设备可以将图像信号进行远距离传输。在图像传输方面，申请号为201510890489.9和201010261499.3的专利文献，以FPGA作为核心处理单元，由CameraLink作为图像传输方案，以上技术方案的缺点是传输距离短，不方便一对多控制。申请号为201410255688.8的专利文献，FPGA内部产生NIOS软核，然后移植UCOSii系统，在操作系统中运行网络协议栈，进而实现网络传输，该方案中的NIOS软核为利用FPGA内部资源综合而成，速度较慢，并且使用UDP协议，UDP协议容易造成网络堵塞，并且图像数据丢失时无重传功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有基于FPGA的图像传输系统采用UDP协议，图像数据容易丢失且无重传功能等问题，提供一种基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统及方法，该系统和方法实现微光条件下成像、高动态范围成像，并将图像通过网络通信协议TCP协议传输给PC上位机。本专利技术的技术方案是：一种基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，包括前端电路和后端电路；所述前端电路包括CCD图像采集芯片、放大电路和A/D模数转换单元；所述后端电路包括ZYNQ-7000芯片、DDR存储芯片、EEPROM芯片、QSPIFLASH芯片和PHY芯片；所述EEPROM芯片、QSPIFLASH芯片、DDR存储芯片、PHY芯片分别与ZYNQ-7000芯片连接；所述ZYNQ-7000芯片的工作单元包括数据格式转换单元、数据通道单元、命令通道单元、命令格式转换单元、网络通信单元、命令解析单元以及运行于ZYNQ-7000芯片上的FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统运行TCP/IP协议栈；所述CCD图像采集芯片将采集到的数据经放大电路和A/D模数转换单元转化后传输给ZYNQ-7000芯片的给数据格式转换单元，数据格式转换单元将转换格式后的数据传输给数据通道单元，数据通道单元通过AXI4-Stream总线协议将数据传输给DDR存储芯片，DDR存储芯片通过FreeRTOS实时操作系统将数据传输给网络通信单元，网络通信单元将数据传输给PC上位机，所述数据格式转换单元与数据通道单元双向通讯进行数据的传输；PC上位机发送的控制命令通过网络通信单元传输给FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统将命令传输给命令解析单元对命令进行处理，命令解析单元将处理后的命令返回FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统将命令传输给DDR存储芯片、QSPIFLASH芯片或EEPROM芯片，DDR存储芯片通过AXI4-Stream总线协议将命令传输给命令通道单元，命令通道单元通过命令格式转换单元将控制命令传输给前端电路；所述命令通道单元与命令格式转换单元双向通讯进行命令的传输，所述DDR存储芯片与命令通道单元双向通讯进行命令的传输。进一步地，所述数据格式转换单元采用乒乓结构，开辟两个FIFO进行缓存。进一步地，所述数据通道单元采用VDMA核。进一步地，所述命令通道单元采用DMA核。进一步地，所述ZYNQ-7000芯片的型号为xc7z020，DDR存储芯片的型号为Micron公司的MT41K128M16JT-125:K，EEPROM芯片的型号为24LC256，QSPIFLASH芯片的型号为SpansionS25FL256S，PHY芯片的型号为Marvell88E1518PHY。同时，本专利技术还提供了一种上述系统的图像传输与控制方法，包括以下步骤：1)上电后对QSPIFLASH芯片初始化，对ZYNQ-7000芯片的PS端和PL端进行初始化；2)FreeRTOS实时操作系统内核启动后，创建一个主线程main_thread，在主线程main_thread中再创建三个优先级相同的子线程：process_vdma_thread、process_order_thread和process_image_thread；在子线程process_image_thread中，在PS端创建一个基于TCP/IP协议栈的socket，绑定一个通信端口，用于与PC上位机进行图像的传输；在子线程process_order_thread中，PS端创建另外一个基于TCP/IP协议栈的socket，绑定另外一个通信端口，用于与PC上位机进行命令的传输；在子线程process_vdma_thread中，配置PL端的数据通道单元；3)命令处理：3.1)PC上位机发出命令，进行命令解析，若是有效命令，并且是“连接”命令，则步骤2)中用于与PC上位机进行命令传输的socket自动连接，并记录PC上位机的MAC地址和IP地址，若是无效命令，不做任何处理；3.2)建立连接后，开始接受PC上位机的命令，命令解析单元判断接收到的命令的类型，若是配置CCD图像采集芯片或A/D模数转换单元的命令，PS端启动命令通道单元，将命令搬运到PL端，PL端配置完成该命令后，启动命令通道单元向PS端返回配置成功的消息，PS端再将该消息返回给PC上位机，否则向PC上位机返回一个失败信息；如果是配置PS端的命令，则直接将命令发送给对应的功能单元，在配置完成后，将配置成功或者配置失败的信息返回给PC上位机；4)数据处理：4.1)PL端启动后，采集到的图像数据发送到数据格式转换单元；4.2)数据格式转换单元将得到的数据通过乒乓结构缓存到FIFO中；4.3)数据格式转换单元根据AXI4-Stream协议将缓存的数据转换格式后发送到数据通道单元中；4.4)当数据通道单元有图像数据到来时，数据通道单元自动将数据搬运到PS端的DDR存储芯片中，当数据搬运完毕后，以中断的形式通知PS端；4.5)PS端得到图像数据后，从DDR存储芯片的指定位置读取数据，并在数据前端增加参数信息，若send_pic函数未激活，则调用send_pic函数，将其发送到PC上位机，否则就不发送。进一步地，在步骤2)中配置PL端的数据通道单元，具体配置包括缓存图像的大小、缓存图像的帧数、图像存储在DDR存储芯片中的起始地址、设置中断方式、设置读写通道、启动读写通道中的一个或多个参数。进一步地，步骤3.2)中配置PS端的命令包括以下命令：当PC上位机发送“采集”命令时，PS端激活send_pic函数，当有新的图像信息到来时，图像信息上传给PC上位机；当PC上位机发送“保存图像”命令时，则PS端在DDR存储芯片中开辟一个新的空间，将得到的图形存入该空间中；当PC上位机发送“保存当前参数”命令时，PS端将目前图像采集前端的参数存进EEPROM中。进一步地，所述步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ZYNQ‑7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，其特征在于：包括前端电路和后端电路；所述前端电路包括CCD图像采集芯片、放大电路和A/D模数转换单元；所述后端电路包括ZYNQ‑7000芯片、DDR存储芯片、EEPROM芯片、QSPI FLASH芯片和PHY芯片；所述EEPROM芯片、QSPI FLASH芯片、DDR存储芯片、PHY芯片分别与ZYNQ‑7000芯片连接；所述ZYNQ‑7000芯片的工作单元包括数据格式转换单元、数据通道单元、命令通道单元、命令格式转换单元、网络通信单元、命令解析单元以及运行于ZYNQ‑7000芯片上的FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统运行TCP/IP协议栈；所述CCD图像采集芯片将采集到的数据经放大电路和A/D模数转换单元转化后传输给ZYNQ‑7000芯片的给数据格式转换单元，数据格式转换单元将转换格式后的数据传输给数据通道单元，数据通道单元通过AXI4‑Stream总线协议将数据传输给DDR存储芯片，DDR存储芯片通过FreeRTOS实时操作系统将数据传输给网络通信单元，网络通信单元将数据传输给PC上位机，所述数据格式转换单元与数据通道单元双向通讯进行数据的传输；PC上位机发送的控制命令通过网络通信单元传输给FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统将命令传输给命令解析单元对命令进行处理，命令解析单元将处理后的命令返回FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统将命令传输给DDR存储芯片、QSPI FLASH芯片或EEPROM芯片，DDR存储芯片通过AXI4‑Stream总线协议将命令传输给命令通道单元，命令通道单元通过命令格式转换单元将控制命令传输给前端电路；所述命令通道单元与命令格式转换单元双向通讯进行命令的传输，所述DDR存储芯片与命令通道单元双向通讯进行命令的传输。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，其特征在于：包括前端电路和后端电路；所述前端电路包括CCD图像采集芯片、放大电路和A/D模数转换单元；所述后端电路包括ZYNQ-7000芯片、DDR存储芯片、EEPROM芯片、QSPIFLASH芯片和PHY芯片；所述EEPROM芯片、QSPIFLASH芯片、DDR存储芯片、PHY芯片分别与ZYNQ-7000芯片连接；所述ZYNQ-7000芯片的工作单元包括数据格式转换单元、数据通道单元、命令通道单元、命令格式转换单元、网络通信单元、命令解析单元以及运行于ZYNQ-7000芯片上的FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统运行TCP/IP协议栈；所述CCD图像采集芯片将采集到的数据经放大电路和A/D模数转换单元转化后传输给ZYNQ-7000芯片的给数据格式转换单元，数据格式转换单元将转换格式后的数据传输给数据通道单元，数据通道单元通过AXI4-Stream总线协议将数据传输给DDR存储芯片，DDR存储芯片通过FreeRTOS实时操作系统将数据传输给网络通信单元，网络通信单元将数据传输给PC上位机，所述数据格式转换单元与数据通道单元双向通讯进行数据的传输；PC上位机发送的控制命令通过网络通信单元传输给FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统将命令传输给命令解析单元对命令进行处理，命令解析单元将处理后的命令返回FreeRTOS实时操作系统，FreeRTOS实时操作系统将命令传输给DDR存储芯片、QSPIFLASH芯片或EEPROM芯片，DDR存储芯片通过AXI4-Stream总线协议将命令传输给命令通道单元，命令通道单元通过命令格式转换单元将控制命令传输给前端电路；所述命令通道单元与命令格式转换单元双向通讯进行命令的传输，所述DDR存储芯片与命令通道单元双向通讯进行命令的传输。2.根据权利要求1所述的基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，其特征在于：所述数据格式转换单元采用乒乓结构，开辟两个FIFO进行缓存。3.根据权利要求1或2所述的基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，其特征在于：所述数据通道单元采用VDMA核。4.根据权利要求3所述的基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，其特征在于：所述命令通道单元采用DMA核。5.根据权利要求4所述的基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制系统，其特征在于：所述ZYNQ-7000芯片的型号为xc7z020，DDR存储芯片的型号为Micron公司的MT41K128M16JT-125:K，EEPROM芯片的型号为24LC256，QSPIFLASH芯片的型号为SpansionS25FL256S，PHY芯片的型号为Marvell88E1518PHY。6.一种基于ZYNQ-7000和FreeRTOS的图像传输与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)上电后对QSPIFLASH芯片初始化，对ZYNQ-7000芯片的PS端和PL端进行初始化；2)FreeRTOS实时操作系统内核启动后，创建一个主线程main_thread，在主线程main_thread中再创建三个优先级相同的子线程：process_vdma_thread、process_order_thread和process_image_thre...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦超，张伟刚，余建成，王拯洲，寇经纬，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61