東南大學(xué)微電子學(xué)院 陶 柱

為擴(kuò)展FPGA在無線通信和圖像處理方面的應(yīng)用，設(shè)計了一個基于上位機(jī)、Marvell8801 WiFi模塊、FPGA開發(fā)板和HDMI顯示器的圖片WiFi傳輸與顯示系統(tǒng)。本文首先介紹了系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，然后介紹系統(tǒng)的主要模塊。最后通過功能測試，表明本系統(tǒng)的可行性。

隨著智能時代的到來，各種圖像傳感器在日常生活中的應(yīng)用幾乎無處不在。相較于有線線纜，無線傳輸無疑極大便利了人們的生活，在智能時代圖像的無線傳輸，也成為一大技術(shù)研究重點。近年來智能設(shè)備越來越普及，圖像處理和顯示技術(shù)的要求也愈來愈高。傳統(tǒng)的CPU已難以滿足圖像處理的需要，對于圖像處理的需求也是爆發(fā)性的增長。使用FPGA來進(jìn)行圖像的處理和顯示，也是近年來的技術(shù)熱點。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)分為兩大部分，第一部分為上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)圖片像素數(shù)據(jù)的讀取，以及TCP的server端的搭建；第二部分為FPGA開發(fā)板及其外設(shè)，主要負(fù)責(zé)圖幀數(shù)據(jù)的接收，緩存和顯示器。本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖

若想把圖片從計算機(jī)無線傳輸?shù)紽PGA開發(fā)板上，而TCP/IP通信協(xié)議一般不支持圖片格式的無線傳輸，因此需要把圖片轉(zhuǎn)化成TCP/IP支持的字節(jié)數(shù)據(jù)，可以是16位，24位或者32位的像素數(shù)據(jù)。

進(jìn)行無線傳輸必須要進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的連接，這里是計算機(jī)和Marvell8801 WiFi模塊的連接。對接收過來的圖片像素數(shù)據(jù)進(jìn)行圖幀緩存，F(xiàn)PGA片內(nèi)資源非常有限，需要使用片外資源，F(xiàn)PGA平臺常用的片外資源是DDR。顯示接口選擇主流接口HDMI。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖片像素讀取

本系統(tǒng)傳輸?shù)膱D片格式目前針對BMP格式的圖片，從圖片提取16位像素數(shù)據(jù)的txt格式的C/C++代碼也是針對此格式的圖片，其他格式圖片該功能的實現(xiàn)也類似。

BMP格式圖片的第18-21字節(jié)代表寬度，第22-25字節(jié)代表高度，第28-29字節(jié)代表每個像素的位數(shù)，第10-13字節(jié)代表像素數(shù)據(jù)的起始位置。根據(jù)所讀像素數(shù)據(jù)的起始位置，可以讀取整個圖片的像素數(shù)據(jù)。讀到的原始像素數(shù)據(jù)是32位，包括RGB888的值和8位透明度值（該值這里不做處理，默認(rèn)不透明），經(jīng)過量化壓縮變換，可以得到對應(yīng)像素16位的RGB565的值。

2.2 WiFi通信系統(tǒng)的搭建

WiFi通信系統(tǒng)包括兩部分，一是上位機(jī)內(nèi)socket編程實現(xiàn)的TCP server端，負(fù)責(zé)連接IP地址和端口，同時計算機(jī)連接WiFi信號；二是作為FPGA開發(fā)板外設(shè)的WiFi模塊，通過SDIO接口與FPGA開發(fā)板連接。

套接字(sockets)是通訊的基石，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。可以將套接字看作不同主機(jī)間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點，它構(gòu)成了在單個主機(jī)內(nèi)及整個網(wǎng)絡(luò)間的編程界面。套接字的服務(wù)進(jìn)程和客戶進(jìn)程在通信前必須創(chuàng)建各自的套接字并建立連接，然后才能對相應(yīng)的套接字進(jìn)行“讀”、“寫”操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 DDR3圖幀緩存和HDMI顯示

在FPGA中調(diào)用DDR3控制器IP來完成對該存儲器的讀寫。本模塊的設(shè)計是以DDR3控制器MIG（Memory Interface Generator）IP的使用為核心，該IP的輸出信號與外部DDR3存儲器的接口連接，輸入信號是供用戶側(cè)使用的AXI接口。AXI接口總線共有5個通道，5個通道分為寫和讀兩個事務(wù)?；贛IG IP的輸入輸出接口，圖幀緩存和HDMI顯示的整體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 圖幀緩存和顯示設(shè)計框圖

3 功能測試

本系統(tǒng)主要測試兩大功能，一是WiFi通信的實際測試，驗證是否可以正常通信以及實際的傳輸速度；二是測試FPGA平臺DDR3圖幀緩存，進(jìn)行HDMI顯示。

SDIO接口進(jìn)行通信傳輸數(shù)據(jù)，選擇一個160KB的Lena1.txt文件，測試WiFi系統(tǒng)是否可以通信，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 SDIO接口通信測試

雖然可以通信，但還需要測試WiFi實際傳輸速度，測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看到，此時的WiFi信號FAST_FAFE并未接入寬帶，而是與FPGA平臺和上位機(jī)進(jìn)行通信，且速度為26Mbps（約3.25MB/s），可以滿足圖片無線傳輸?shù)男枰?/p>

圖4 WiFi速度測試結(jié)果

FPGA平臺DDR3圖幀緩存和HDMI顯示，實際效果如圖5所示。

圖5 FPGA平臺圖幀緩存和顯示測試

綜上，WiFi通信的功能基本實現(xiàn)，可以進(jìn)行圖片的傳輸，DDR3的圖幀緩存和HDMI顯示功能也正常。