基于VDMA的远程图像采集系统参考设计

本文作者：AMD 工程师 Jackie Gao

简介

本文参考设计基于 AMD ZYNQ 7000 Device， 使用 VDMA 做原始图像采集系统，在 Petalinux 下做服务器，通过 Socket 发送图像至 Windows 或者 Linux 上位机。

作为验证，可以连接 CMOS，或者使用 AXI TPG 生成仿真的图像数据。

教程中所有涉及的设计及代码均在 Windows 和 Linux 平台下作了验证。

系统设计

1. 系统设计框图参考如下：

a. 通过 Video In to AXI4-Stream 将 CMOS 输出的 VSYNC，HSYNC 以及数据信号转换成视频流。注意 CMOS 的输入时钟 PCLK 与 AXI4-Stream 工作在不同的频率。

b. 紧跟其后面实例化了一个 AXI VDMA，用于接收输出的视频流。AXI VDMA 通过其 M_AXI_S2MM 端口连接至 AMD ZYNQ 7000 Device 的 HP0 端口，以访问 PS 侧的 DDR 控制器，用作 VDMA 的 Frame Buffer。

由于图像在传输过程中可以会出现当前的 Frame Buffer 被 VDMA 再次写入的情况，所以我们将 Frame Buffer 数量调至16，以减小 图像被污染的概率。如果想完全解决这个问题，需要配置 VDMA 的 GenLock 使用，我们会在之后的设计的讲解。

c. 系统还实例化了一个 AXI IIC 控制器，用于初始化 CMOS 的寄存器，使其能够正确的工作在期望的频率。也可选用 PS 侧的 IIC 控制器。

2. BD 中需要分配各个 IP 地址如下，可以用 AMD Vivado Design Suite 的自动地址分配工具完成。

软件架构

系统框图

开发板上运行 Petalinux，用作视频的服务器。在 Windows/Ubuntu 上位机位移植 Embeddedsw，并通过 Socket 配置 CMOS 和接收图像。最后把图像通过 QT 显示。

环境需求

硬件环境

AMD ZYNQ 7000 Device

OV5640 或者 AXI TPG仿真

Windows10/11 或者 Ubuntu20.04 主机

软件环境

AMD Vivado Design Suite 2022.2

Petalinux 2022.2

CMake > 2.15

OpenCV3.3.1

QT5.15.2

Windows + Visual Studio 或者 Linux + GCC

代码结构

硬件

HW 文件夹里面里面包含 AMD Vivado Design Suite 工程，直接用 AMD Vivado Design Suite 2022.2 打开。

打开后综合实现，并生成 Bitfile。

固件

此参考设计用 Petalinux 制作系统启动镜像，完整的 Petalinux 工程位于 FW 目录下。

执行 petalinux-build 可以编译。

执行 petalinux-package –boot –u-boot –force –fpga XXX.bit 生成 BOOT.BIN文件

软件

axi vdma 和 axi iic 的驱动软件移植自 embeddedsw，主要的改动包括修改 xil_io.c 和 xil_mem.c 文件，用 Socket 的驱动替换默认的 Xil_In32 和 Xil_Out32 的实现，以及内存读写的功能。

软件支持 Windows 和 Linux 的主机，采用 Cmake 环境。如果在 Windows 下，可以选择 Visual Studio 作为编译工具。编译过程如下:

1.cd sw

2.mkdir build

3.cmake .. && make

测试结果

在 Petalinux 下生成的 BOOT.BIN 文件放成 SD 卡，启动开发板。

运行 QT 应用程序，可以看到图像可以被正确的采集。