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前言

前段时间接到老板匆忙打电话，大概内容是：之前师兄流片的CMOS图像传感器马上要提交结题报告，需要帮忙用ZYNQ系列FPGA将图像传感器的数据实时传输到PC，并且通过上位机拍照。由于时间紧急，要求两三天内完成。当时自己心想：“FPGA开发+ARM程序编写+PC端上位机开发” 两三天完成，还包括调试。。。Are you kiding me ? 自己直言，两三天不现实，经过一番讨论，最终答应尽量在一周内完成。

自己之前过FPGA和PC通信的设计，只是当时数据量不大，直接用的串口。图像的实时传输，串口显然无法胜任。可供选择的只有USB和网口。自己没有接触USB接口开发，但接触过UDP通信，而且ZYNQ的教程有网络通信实验，故选择网口传输数据。至于PC端上位机部分，最方便的肯定是Matlab和Python，尤其是涉及到图像处理。正好自己最近学习Python，感觉开发起来效率挺高，所以决定“人生苦短，我选Python”。

下面自己分三部分讲解具体的实现过程：

FPGA 部分

自己接手的时候，情况是这样：FPGA端的CMOS sensor 图像控制部分Verilog代码师兄已经写好，自己的任务是写一个数据处理模块将CMOS sensor 输出的数据读取出来，然后将控制部分和数据处理部分封装成AXI接口的IP接到ZYNQ的PS (ARM) 端。FPGA和ARM通信的AXI接口类型常用的有两种：AXI-lite和AXI-steam。AXI-lite主要通过寄存器实现ARM和FPGA之间的数据交互，带宽较低，适合数据量不大的情形。AXI-steam则属于高带宽类型，一般都和DMA配合使用，实现大量数据的交互。相比而言，AXI-lite要简单很多，但要评估是否满足要求。显然AXI-steam和DMA更适合当前的应用，但经过认真考虑，还是采用了保守方案——AXI-lite总线。原因如下：1.师兄做的Image sensor像素不高，只有128x128。虽然是16个通道并行输出，但每个通道输出一个Byte需要16 clk，而且时钟频率只有10Mhz。如果AXI-lite总线用100Mhz时钟，且数据线宽为32Bit，这就意味着只需要在160个总线时钟内读取4次，就可以把16 Byte的数据全部从FGPA中读出。而且ARM的频率是666Mhz,用查询方式读取，应该不会出现数据丢失问题。2.自己没有用过DMA和AXI-steam使用经验，中途一旦出现问题，可能就要拖一两天时间（这才是自己最担心的），后面有时间了再去学习用这两种方法实现。*

具体实现步骤如下：

1）创建自定义IP

vivado工程创建过程我就不写了，下面主要介绍如何将AXI-lite总线与自己设计的目标电路连接起来并并封装成一个IP。

任何总线都是通过 ‘读’ 和‘ 写’ 两种操作实现CPU和硬件外设的通信。通信的数据主要包括控制信号，状态信号以及需要读写的数据，这些信息的传递都是通过中间的寄存器实现。

我们在用vivado 新建 AXI-lite总线的IP时，可以选择中间寄存器的个数，这里我设置了20个，接着Vivado会自动生成 AXI-lite总线的代码，自己需要做的就是将这些信号和目标电路连接起来。

2）CPU写操作

我们首先来看一下刚刚设置的这20个寄存器，这些寄存器就是用来存放CPU写入的数据。每一个寄存器都有唯一的32位地址，而且这些寄存器的地址是根据其编号从低到高连续累加的，内部地址是（0~19）。当CPU向某一个地址写入数据时，数据就会被存放至与该地址对应的寄存器中。目标电路所需要的输入信号（控制信号和配置参数等）就是通过这些寄存器传递。

下面就是目标电路的顶层输入信号，其中启动信号和测试模式的开关由 slv_reg0 的最低两个Bit实现，而switch0-5是控制image sensor 的开关信号，由slv_reg0 的 2-7 bit 控制。
另外还有两个控制曝光时间长度的信号，它们分别由 slv_reg1 和 slv_reg3 控制。这样我们就实现了输入信号的连接。

3）CPU 读操作

读操作就是将Image Sensor的图像输出读出来，先看一下目标电路的顶层输出信号，输出信号主要包括数据和相应的标志信号。CPU 查询方式读出数据的原理是：循环读取标志信号，当标志信号为 1 时即说明当前有数据输出，这时再读取数据。

CPU读取数据和状态信号的关键部分如下，十六进制 0-13即内部的20个偏移地址，当CPU读取某一个地址时，相应信号的值就会传给CPU。

值得注意的是，上面的CPU读信号中并没有目标硬件电路的标志信号，因为硬件标志信号一般都是持续一个时钟周期，而CPU查询一次往往需要多个时钟周期，如果将标志信号直接传给总线，CPU是无法正常读出的。因此需要设计一个简单的电路来锁存标志信号，同时CPU读完以后信号还要自动释放。
以标志信号 word_en为例，该电路实现方法如下，software_flag即锁存的word_en信号：

代码讲解如下：word_en上升沿到来后将software_flag 置 1，而software_flag清除的条件是总线处于读使能且总线地址位的内部偏移地址为 4。因为 word_en 是数据 word1~4 的标志信号，而读操作的地址 4 即对应 word1的数据。CPU开始读 word1 则表明 CPU 已经检测到了 word_en 有效。当然也可以将 software_flag 清除的条件改为总线处于读使能且总线地址位的内部偏移地址为 0，因为读操作的地址 0 即对应 software_flag ，这样software_flag持续的时间会比较短。

ARM裸机程序部分

ZYNQ芯片内部有两个ARM Cortex-A9 CPU，主频为766MHz, 虽然可以运行Linux，但是需要为Image Sensor控制电路编写驱动程序，为了节省时间，直接运行裸机程序。ARM处理器主要负责配置CMOS sensor的工作状态，同时将数据从FPGA中读出来并与上位机通信实现图像实时传输。

1) TCP 通信

网络传输采用的TCP协议，由于我们采用的裸机程序，实现TCP通信最合适的方法就是使用light-weight IP stack (lwIP)小型开源TCP/IP协议栈，Xilinx SDK中提供有Demo工程，如下图

本文中的代码是在 LWIP Demo工程的基础上进行改写。TCP协议中通信的双方分为Server和Client，Client只要知道了Server的IP和端口号就可以建立连接。根据上图可知，LWIP的demo工程中FPGA作为Server，监听端口号为 Port 7，程序实现的功能是将收到的数据自动回传给client。

Demo工程建立好以后对LWIP进行以下配置，以提高传输效率。

使用Demo工程最大的好处就是我们不需要懂TCP协议的具体通信过程，只需要修改数据的接收和发送函数即可。

Demo工程中负责发送和接收数据的函数在echo.c中,函数内容如下：

从上图中的代码可以看到：
64行接收数据，71发送数据，而发送的内容为 p->payload所指向的内存区,即接收的数据存放在 p->payload所指的地址处，数据长度为 p->len。读懂了函数的功能就可以根据自己的需要进行修改了。

首先将数据发送部分替换成自己写的函数 recv_process(tpcb, p)，该函数负责处理上位机的指令并发送图像数据。

我们所定义的上位机的指令以0x55 开头，第二个字节即命令，命令分为4种：状态查询，启动图像采集，关闭图像采集，以及工作模式设置。

要想控制硬件，首先需要定义一个结构体，该结构体中的变量与硬件电路中的寄存器一一对应，如下图：

因为ZYNQ内部采用的32位AXI总线，因此结构体内所有变量都是32位。这些变量的顺序与FPGA控制电路的寄存器相对应。当我们向这些变量中写入数据时，数据会自动传递到如下寄存器

而当读取这些变量的值时我们得到的是硬件电路中如下信号的值

结构体定义好以后，最重要的一步就是定义结构体指针，并将指针指向 FPGA控制电路的基地址（XPAR_IMAGE_CTL_0_S00_AXI_BASEADDR），这样就可以对硬件进行读写了。同时还需要定义两个BUF，用于保存从Sensor中读取的图像数据。

硬件控制电路的驱动函数如下。该函数的核心是用软件读写Image sensor 的控制电路的寄存器，从而实现图像数据的读入，同时控制传感器的工作模式。函数内容如下图：

该函数的具体流程是：设置曝光时间、工作模式、启动Sensor、通过查询方式读取图像数据。
因为我们定义的ImageBuf是8位数组，而从总线中读到的数据是32位。一般的操作需要四次才能将32位的数据写入4个8位的变量中，而通过如下方式，可以一次将 32位数据写入 4个变量

*(int *)(ImageBuf[1]+pixel_num)     = a0;

下面简单介绍一下图像传输函数 trans_image_data(tpcb)。

该函数首先调用图像驱动函数读取数据。图像数据读完以后，调用 tcp_write() 将数据写入到 TCP 缓存，最后调用 tcp_output() 将数发送出去。
正常情况下，写入TCP缓存前需要先判断剩余空间 pcb->snd_buf 大小。由于我们在TCP BSP 参数配置时，将 tcp_snd_buf 设置为最大值 65535，而图像数据小于此值，故此处没有判断剩余空间，直接将数据全部写入。

到此ARM裸机程序编写完成。梳理一下，包括三个部分：上位机命令接收和处理、Image Sensor 控制及数据读取、数据发送。

Python上位机开发

Python上位机是自己用两天的时间做的一个简单demo。
下面我对上位机程序进行简单整理。
上位机功能可分为四个方面：1. TCP通信；2.OpenCV图像实时显示及拍照；3.GUI界面；4.将所拍照片保存为CSV文件。
需要使用的库包括：numpy, cv2, socket, tkinter，pandas

1) TCP 通信

Python实现TCP通信和UDP通信一样简单，只需要简单调用几个函数即可，具体步骤如下（Python为客户端）：

创建socket套接字

 soc=socket.socket()

建立连接

 soc.connect((server_ip_addr, port))

server_ip_addr为 server端的IP地址，port为server监听的端口号

发送数据

 soc.send(send_data)

send_data 为我们需要发送的数据。注意：发送的数据必须为bytes 类型，如果是其他数据类型，需要用 bytes()函数转换。

接收数据

 soc=socket.socket()

其中buffer_size 为一次最多接收数据的个数，tcp_dat 为接收到的数据。接收数据有两点需要注意：

如果server端一次发送的数据量较大，网网关会自动将数据分成多批发送，如果我们只调用一次 recv(buffer_size)，会导致数据接收不完整（自己有实际踩坑经历）。
接收到的数据类型为 bytes 类型，需要转换成自己所需的类型。
完整数据接收及类型转换可通过如下方法实现（当然，此方法的前提是我们知道每张图像的大小，即上位机一次发送了多少数据）：

int_dat 保存接收到的int型数据，当接收到我们设定的数据量时停止接收。

2）OpenCV 图像实时显示

因为我们采用的opencv库，图像实时显示非常简单。
首先将接收到的图像数据转换成 numpy 整数类型，由于数据是一维的，需要进行图像重构变成128x128的二维数组。然后调用 cv2.resize( )函数对图片大小进行缩放，下图中的 img_test1 即为调整大小后的二维图像矩阵。最后调用cv2.imshow( )即可显示图像。

拍照通过 cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord(‘c’) 实现，当键盘按下‘c’ 键时即停止图像采集和显示，从而实现拍照功能。

3）GUI 界面

GUI界面采用 tkinter 库实现。首先我们需要添加所需的控件（比如：输入框、显示框、按键等），代码如下：

该程序的具体步骤包括：
创建主窗口，并设置窗口title和大小。
self.root = tkinter.Tk()
创建一个输入框，并设置宽度。该输入框用于设置server端IP
tkinter.Entry(self.root, width = 50);

创建一个显示框，用于显示提示信息，并设置宽度。

tkinter.Listbox(self.root);

创建三个按钮，分别是Connect (建立以太网连接), Start(启动图像传输) 和 Save (保存图像数据)。
tkinter.Button(self.root, command = self.connect_fun, text = "connect");
注意该函数有三个参数，第二个参数为按键被点击时所调用的函数，第三个参数为按键上显示的名称。

GUI界面所需的控件添加完成后需要对它们进行布局，有两种方法可以实现
place()和 pack(), place()需要指定起始坐标以及长度和宽度（坐标原点为GUI界面左上角），pack()函数则可以自动调整布局。一般我们需要两种方法结合使用。
如果我们全部使用pack()自动布局，代码如下

布局效果如下图，按键大小根据文本长度自动调整的，好像不太美观。哈哈哈。。。

如果我们对三个按键如下调整，效果就好多了：

布局完成后，还有最重要的一步，调用 tkinter.mainloop()函数，这样运行程序是GUI界面才会出现。

4）保存数据

将数据保存至 .csv 文件可以用 pandas 库实现,
保存数据前我们可以用python自动创建文件夹并用当前时间作为文件夹名称，具体代码如下：

数据保存只需要两个函数即可实现：
save = Pd.DataFrame(self.img_buf[0]); # 转换数据格式，此处 self.img_buf[0] 为需要保存的数据，此处为128x128的二维数组。
save.to_csv(file_name) # 保存数据

结束语

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“Xilinx ZYNQ+TCP通信+Python上位机”实现实时视频传输系统

前言

FPGA 部分

1）创建自定义IP

2）CPU写操作

3）CPU 读操作

ARM裸机程序部分

1) TCP 通信

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1) TCP 通信

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4）保存数据

结束语

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