FPGA实现Aurora8B10B视频转UVC传输,基于GTP高速收发器+FT602芯片架构,提供4套工程源码和技术支持

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FPGA实现Aurora8B10B视频转UVC传输,基于GTP高速收发器+FT602芯片架构,提供4套工程源码和技术支持

FPGA基于FT602实现USB3.0 UVC 视频传输

1、前言

创作背景

Aurora 8B10B是啥?

Aurora 8B10B 是由Xilinx(现AMD)开发的轻量级链路层协议,用于FPGA间的高速点对点串行通信。它基于8B/10B编码方案,提供简化的数据封装和流控制机制,主要应用于需要低延迟、高可靠性传输的场景;
Aurora 8B10B核心作用如下:

1、高速数据传输:通过SerDes收发器实现Gbps级数据传输

2、简化通信协议:仅需基本流控制,无需复杂协议栈

3、可靠传输:内置CRC校验和错误检测机制

4、灵活扩展:支持通道绑定(多通道聚合)
Aurora 8B10B主要工程应用如下:

博主之前用Xilinx GTP收发器实现过Aurora 8B10B编解码,本博客用的则是Xilinx的标准集成Aurora 8B10B IP核,这两种方法都能实现Aurora 8B10B编解码,区别如下:
Xilinx GTP收发器 vs 标准集成Aurora 8B10B IP核对比如下:

1、用户数据接口不同;

GTP收发器实现过Aurora 8B10B用户数据接口为并行数据;

标准集成Aurora 8B10B IP核用户数据接口为AXI4-Stream流数据;

2、数据对齐不同

GTP收发器实现过Aurora 8B10B输出的数据没有对齐,需要用户自己写逻辑电路对齐;

标准集成Aurora 8B10B IP核输出的数据是经过内部处理后的对齐数据,用户无需自己写逻辑电路对齐;

3、设计难度不同

GTP收发器实现过Aurora 8B10B设计难度较大,需要对GTP高速收发器链路层和物理层有深刻理解,比如PCS和PMA;GTP预留的很多接口直接和底层协议挂钩,无论是配置难度还是使用难度都很大,对设计者技术要求较高;

标准集成Aurora 8B10B IP核则简单很多,无需理解高速收发器链路层和物理层,无论是配置难度还是使用难度都很小,对设计者技术要求较低;

什么是UVC

UVC全称为USB Video Class,即USB 视频类,是一种为 USB 视频捕获设备定义的协议标准。

USB视频设备类(USB Video Class, UVC)是由USB Implementers Forum(USB-IF)制定并维护的通用协议规范,旨在为基于USB接口的视频采集设备确立统一的通信标准。该标准定义了视频数据流、控制命令及 payload 格式,使符合规范的摄像头、摄像机等设备能够实现真正的"即插即用"(Plug-and-Play)。

其主要技术特性与优势包括:

系统无关的兼容性:完全支持UVC 1.1或更高版本的设备,可在Windows、Linux、macOS等主流操作系统中直接识别并使用,无需安装厂商专属驱动,显著降低了部署与维护的复杂性。

标准化的数据与控制接口:规范明确定义了视频流传输格式(如未压缩的YUY2/MJPEG/H.264)及设备控制单元(如亮度、对比度、对焦),确保了跨厂商设备的功能一致性与可互换性。

优化的工业应用适配:凭借其即插即用、稳定可靠及易于集成的特点,UVC摄像头广泛应用于机器视觉、视频会议、自助服务终端、嵌入式系统、物流分拣及轻型自动化产线等场景,成为工业图像采集领域中高性价比的标准化解决方案。

FPGA实现UVC现状

FPGA实现UVC,一般方案为外挂PHY芯片实现UVC物理层,FPGA内部逻辑实现UVC协议层,由于UVC具有系统无关的兼容性,所以无需驱动和额外QT上位机。目前主流的PHY芯片有CYUSB3014和FT602,二者各有千秋,就价格、功耗、设计难以程度而言,FT602略胜于CYUSB3014。

本设计使用FT602芯片实现UVC物理层,FPGA内部逻辑实现UVC协议层。

FPGA实现SFP光口视频编解码现状

目前基于Xilinx系列FPGA的SFP光口视频编解码主要有以下几种,Artix7系列的GTP、Kintex7系列的GTX、更高端FPGA器件的GTH、GTY、GTV、GTM等,线速率越来越高,应用场景也越来越高端;编码方式也是多种多样,有8b/10b编解码、64b/66b编解码、HDMI编解码、SDI编解码等等;

本设计采用7系列的Aurora8B10B IP核实现SFP光口视频编解码;

工程概述

本设计使用FPGA基于GTP高速收发器+FT602芯片架构实现Aurora8B10B视频转UVC传输,创新性的将光电编码领域的Aurora8B10B协议与视频传输领域的UVC协议融合,赋能光电图传技术拓展和技术转化。

视频输入源有多种,一种是板载的HDMI输入接口,另一种是传统摄像头,包括OV7725、OV5640和AR0135;如果你的FPGA开发板没有视频输入接口,或者你的手里没有摄像头时,可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频,代码里通过parametr参数选择视频源,默认不使用动态彩条;FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置,然后采集摄像头视频;然后采集视频送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转换到AXI4-Stream视频流;然后AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号重组,因为Aurora 8B10B发送接口不带tuser信号,所以需要将tuser嵌入到数据流中传输;然后视频流送入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据编码,数据以高速差分信号输出,经板载的SFP光口进行回环传输;经SFP-RX接口输入高速差分信号再进入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据解码,输出AXI4-Stream视频流;AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号恢复,因为Aurora 8B10B接收接口不带tuser信号,所以需要在嵌入数据中的tuser恢复出来;然后AXI4-Stream视频流送入本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像写缓存模块,实现视频写入DDR缓存操作;然后使用本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像读缓存模块,实现视频从DDR读出操作;然后读出的视频送入纯verilog实现的Native视频时序模块实现视频同步;然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换;同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作,以保证FT602正常工作;然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块,实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理,完成UVC协议层,并以标准的FT602用户IO读写时序输出;然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层;用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口;无需安装驱动,直接打开Win10自带的相机软件,即可看到FPGA采集发来的图像。针对市场主流需求,本博客设计并提供4套工程源码,具体如下:

现对上述4套工程源码做如下解释,方便读者理解:

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a35tfgg484-2;

视频输入源为OV5640摄像头,如果你的FPGA开发板没有视频输入接口,或者你的手里没有摄像头时,可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频,代码里通过parametr参数选择视频源,默认不使用动态彩条;FPGA首先使用纯Verilog实现的i2c总线对摄像头进行初始化配置,分辨率配置为1280x720@30Hz;然后采集视频送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转换到AXI4-Stream视频流;然后AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号重组,因为Aurora 8B10B发送接口不带tuser信号,所以需要将tuser嵌入到数据流中传输;然后视频流送入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据编码,数据以高速差分信号输出,经板载的SFP光口进行回环传输;经SFP-RX接口输入高速差分信号再进入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据解码,输出AXI4-Stream视频流;AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号恢复,因为Aurora 8B10B接收接口不带tuser信号,所以需要在嵌入数据中的tuser恢复出来;然后AXI4-Stream视频流送入本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像写缓存模块,实现视频写入DDR缓存操作;然后使用本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像读缓存模块,实现视频从DDR读出操作;然后读出的视频送入纯verilog实现的Native视频时序模块实现视频同步;然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换;同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作,以保证FT602正常工作;然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块,实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理,完成UVC协议层,并以标准的FT602用户IO读写时序输出,输出分辨率为1280x720@60Hz;然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层;用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口;无需安装驱动,直接打开Win10自带的相机软件,即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

工程源码2

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a35tfgg484-2;

输入视频源为HDMI视频,用笔记本电脑模拟,笔记本电脑通过HDMI线连接FPGA开发板的HDMI输入接口,板载的ADV7611芯片实现HDMI视频解码,FPGA使用纯Verilog实现的i2c总线对ADV7611进行初始化配置,分辨率配置为1920x1080@60Hz,输出RGB888视频给FPGA;然后采集视频送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转换到AXI4-Stream视频流;然后AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号重组,因为Aurora 8B10B发送接口不带tuser信号,所以需要将tuser嵌入到数据流中传输;然后视频流送入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据编码,数据以高速差分信号输出,经板载的SFP光口进行回环传输;经SFP-RX接口输入高速差分信号再进入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据解码,输出AXI4-Stream视频流;AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号恢复,因为Aurora 8B10B接收接口不带tuser信号,所以需要在嵌入数据中的tuser恢复出来;然后AXI4-Stream视频流送入本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像写缓存模块,实现视频写入DDR缓存操作;然后使用本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像读缓存模块,实现视频从DDR读出操作;然后读出的视频送入纯verilog实现的Native视频时序模块实现视频同步;然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换;同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作,以保证FT602正常工作;然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块,实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理,完成UVC协议层,并以标准的FT602用户IO读写时序输出,输出分辨率为1920x1080@60Hz;然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层;用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口;无需安装驱动,直接打开Win10自带的相机软件,即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

工程源码3

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a100tfgg484-2;

视频输入源为OV5640摄像头,如果你的FPGA开发板没有视频输入接口,或者你的手里没有摄像头时,可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频,代码里通过parametr参数选择视频源,默认不使用动态彩条;FPGA首先使用纯Verilog实现的i2c总线对摄像头进行初始化配置,分辨率配置为1280x720@30Hz;然后采集视频送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转换到AXI4-Stream视频流;然后AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号重组,因为Aurora 8B10B发送接口不带tuser信号,所以需要将tuser嵌入到数据流中传输;然后视频流送入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据编码,数据以高速差分信号输出,经板载的SFP光口进行回环传输;经SFP-RX接口输入高速差分信号再进入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据解码,输出AXI4-Stream视频流;AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号恢复,因为Aurora 8B10B接收接口不带tuser信号,所以需要在嵌入数据中的tuser恢复出来;然后AXI4-Stream视频流送入本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像写缓存模块,实现视频写入DDR缓存操作;然后使用本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像读缓存模块,实现视频从DDR读出操作;然后读出的视频送入纯verilog实现的Native视频时序模块实现视频同步;然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换;同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作,以保证FT602正常工作;然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块,实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理,完成UVC协议层,并以标准的FT602用户IO读写时序输出,输出分辨率为1280x720@60Hz;然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层;用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口;无需安装驱动,直接打开Win10自带的相机软件,即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

工程源码4

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a100tfgg484-2;

输入视频源为HDMI视频,用笔记本电脑模拟,笔记本电脑通过HDMI线连接FPGA开发板的HDMI输入接口,板载的ADV7611芯片实现HDMI视频解码,FPGA使用纯Verilog实现的i2c总线对ADV7611进行初始化配置,分辨率配置为1920x1080@60Hz,输出RGB888视频给FPGA;然后采集视频送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转换到AXI4-Stream视频流;然后AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号重组,因为Aurora 8B10B发送接口不带tuser信号,所以需要将tuser嵌入到数据流中传输;然后视频流送入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据编码,数据以高速差分信号输出,经板载的SFP光口进行回环传输;经SFP-RX接口输入高速差分信号再进入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据解码,输出AXI4-Stream视频流;AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号恢复,因为Aurora 8B10B接收接口不带tuser信号,所以需要在嵌入数据中的tuser恢复出来;然后AXI4-Stream视频流送入本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像写缓存模块,实现视频写入DDR缓存操作;然后使用本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像读缓存模块,实现视频从DDR读出操作;然后读出的视频送入纯verilog实现的Native视频时序模块实现视频同步;然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换;同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作,以保证FT602正常工作;然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块,实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理,完成UVC协议层,并以标准的FT602用户IO读写时序输出,输出分辨率为1920x1080@60Hz;然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层;用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口;无需安装驱动,直接打开Win10自带的相机软件,即可看到FPGA采集发来的图像。

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本博客详细描述了FPGA基于GTP高速收发器+FT602芯片架构实现Aurora8B10B视频转UVC传输的设计方案,工程代码可综合编译上板调试,可直接项目移植,适用于在校学生、研究生项目开发,也适用于在职工程师做学习提升,可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域;

提供完整的、跑通的工程源码和技术支持;

工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾,请耐心看到最后;

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分,也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等),若大佬们觉得有所冒犯,请私信批评教育;基于此,本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究,禁止用于商业用途,若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题,与本博客及博主无关,请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈,说我的博客文章太多了,乱花渐欲迷人,自己看得一头雾水,不方便快速定位找到自己想要的项目,所以本博文置顶,列出我目前已有的所有项目,并给出总目录,每个项目的文章链接,当然,本博文实时更新。。。以下是博客地址:
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我的博客主页开设有FPGA驱动USB通信专栏,里面全是FPGA驱动USB通信的工程源码及博客介绍;既有基于USB2.0也有USB3.0方案;包括USB2.0/3.0测速试验、USB2.0/3.0视频采集传输试验、USB2.0/3.0视频采集+图像处理后传输试验等等;所有工方案均包括FPGA工程和QT上位机源码;专栏地址链接如下:
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我的博客主页开设有FPGA实现UVC图传专栏,里面全是FFPGA实现UVC图传的工程源码及博客介绍;既有基于USB2.0 UVC,也有USB3.0 UVC方案;既有基于CYUSB3014的UVC物理层方案,也有基于FT602的UVC物理层方案;专栏地址链接如下:
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我的主页有FPGA GT 高速接口专栏,该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程,其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建,GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建,GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建,GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建;以下是专栏地址:
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本设计的GTP高速收发器配置Aurora 8B10B方案

使用GTP高速收发器配置为Aurora 8B10B模式也可以实现和本设计类似的效果,只不过该方案设计难度更大,需要自己设计数据对齐电路,想挑战自我的读者,可以参考我之前发布的博客,链接如下:
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3、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下:

输入Sensor之-->OV5640摄像头

输入Sensor是本工程的输入设备,其一为OV5640摄像头,此外本博主在工程中还设计了动态彩条模块,彩条由FPGA内部逻辑产生,且是动态移动的,完全可模拟Sensor,输入源选择Sensor还是彩条,通过Sensor模块的顶层参数配置,默认选择Sensor输入;Sensor模块如下:

SENSOR_TYPE=0;则输出OV5640摄像头采集的视频;

SENSOR_TYPE=1;则输出动态彩条的视频;

OV5640摄像头需要i2c初始化配置,本设计配置为1280x720@30Hz分辨率,本设计提供纯verilog代码实现的i2c模块实现配置功能;此外,OV5640摄像头还需要图像采集模块实现两个时钟输出一个RGB565的视频转换为一个时钟输出一个RGB888视频,本设计提供纯verilog代码实现的图像采集模块实现配置功能;动态彩条则由FPGA内部逻辑实现,由纯verilog代码编写;将OV5640摄像头配置采集和动态彩条进行代码封装,形成helai_OVsensor.v的顶层模块,整个模块代码架构如下:

输入Sensor之-->ADV7611芯片解码的HDMI

输入Sensor是本工程的输入设备,其二为板载的HDMI输入接口;输入源为板载的HDMI输入接口或动态彩条,分辨率为1920x1080@60Hz,使用笔记本电脑接入HDMI输入接口,以模拟输入Sensor;HDMI解码方案为芯片解码,使用ADV7611,可将输入的HDMI视频解码为RGB888视频;FPGA纯verilog实现的i2c配置模块完成对ADV7611芯片的配置,分辨率配置为1920x1080@60Hz;可以通过Sensor模块的顶层参数配置,默认选择Sensor输入;Sensor模块如下:

SENSOR_TYPE=0;则输出HDMI接口采集的视频;

SENSOR_TYPE=1;则输出动态彩条的视频;

整个模块代码架构如下:

Native视频转AXIS流

然后采集视频送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转换到AXI4-Stream视频流;如下:

AXIS视频流重组

然后AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号重组,因为Aurora 8B10B发送接口不带tuser信号,所以需要将tuser嵌入到数据流中传输;将AXIS视频流重组模块直接拖入Block Design中,如下:

Aurora8B10B视频传输传输架构

然后视频流送入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据编码,数据以高速差分信号输出,经板载的SFP光口进行回环传输;经SFP-RX接口输入高速差分信号再进入Xilinx官方的Aurora 8B10B IP核实现8B10B数据解码,输出AXI4-Stream视频流;本设计基于GTP高速收发器实现Aurora 8B10B图像视频传输,Aurora 8B10B在Block Design中如下:

Aurora 8B10B图像视频传输架构的核心是Aurora 8B10B IP核的例化和使用,所以本章节我们重点讲解这个IP;

Aurora8B10B IP核简介

关于Aurora 8B10B IP核介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《pg046_Aurora 8B/10B LogiCORE IP Product Guide》,我们以此来解读,《pg046》PDF文档我已放在了资料包里;我用到的开发板FPGA型号为Xilinx--Artix7系列FPGA;带有4路GTP资源,每通道的收发速度为500 Mb/s到6.6 Gb/s之间。本设计使用的Aurora 8B10B IP核基于GTP高速收发器实现物理层和数据链路层;

Aurora 8B10B 基本结构

根据《pg046_Aurora 8B/10B LogiCORE IP Product Guide》,Aurora 8B10B 基本结构如下:

由上图可知,Aurora 8B10B IP核由四个核心模块构成,协同实现链路初始化、数据编解码及流控制:

通道逻辑(Lane Logic)

功能:驱动每个GT收发器(GTP/GTX/GTH),初始化收发器硬件,处理8B/10B编解码、错误检测(如CRC校验)

关键操作:检测控制字符(如空闲符、时钟补偿符),确保数据对齐

全局逻辑(Global Logic)

功能:管理多通道绑定(Lane Bonding),验证通道同步状态,生成随机空闲字符维持链路活性,监控所有通道的错误(如hard_err硬件错误、soft_err位错误)

错误处理:检测到严重错误时自动复位并重新初始化通道

发送用户接口(TX User Interface)

接口类型:支持AXI4-Stream帧接口(带tlast/tkeep)或流接口(简化无帧控制)

功能:将应用层数据封装为Aurora帧(添加SCP/ECP控制符),插入时钟补偿序列(每10,000字节插入12字节开销)

接收用户接口(RX User Interface)

功能:解析输入数据流,剥离SCP/ECP控制符,恢复原始数据帧并通过AXI4-Stream输出;支持流量控制(如UFC/NFC)

特点:无弹性缓冲,依赖实时流控避免溢出

用户数据接口对比

Aurora 8B10B支持帧接口 (Framing) 流接口 (Streaming),对比如下:

Aurora8B10B 发送流程

Aurora 8B10B用户发送数据使用帧接口(AXI4-Stream),包括以下流程:

用户发起传输

应用层置位s_axi_tx_tvalid并输出数据至s_axi_tx_tdata,同时用s_axi_tx_tlast标识帧结束,s_axi_tx_tkeep标记末尾有效字节

IP核组帧

当s_axi_tx_tready与s_axi_tx_tvalid同时有效时,IP核采样数据

组帧规则:

帧首添加2字节SCP(Start Channel Protocol)

帧尾添加2字节ECP(End Channel Protocol)

若数据字节数为奇数,末尾补PAD字符

插入控制序列

在数据间隙插入空闲字符或时钟补偿序列(CC),优先级高于数据传输

发送过程中可通过拉低s_axi_tx_tvalid暂停传输(流控)

串行化输出

数据经GT收发器进行8B/10B编码,转为串行信号通过物理链路发送

使用总结

以上流程为Aurora 8B10B IP核内部实现,开发者只需了解即可,无需关心起具体实现细节,开发者只需把发送数据转换为AXI4-Stream数据流送入Aurora 8B10B用户发送接口即可;

Aurora 8B10B 接收流程

数据解析

GT收发器接收串行数据,进行字对齐和8B/10B解码

通道逻辑检测并剥离SCP、ECP、PAD及空闲字符,提取有效负载

帧恢复与输出

恢复的数据通过AXI4-Stream接口输出:

m_axi_rx_tvalid标识有效数据

m_axi_rx_tlast标识帧结束

m_axi_rx_tkeep标记帧末有效字节(仅当tlast有效时)

无流控信号:接收端无tready,需应用层实时消费数据

错误检测

实时监测编解码错误(置位soft_err)或帧结构错误(如连续SCP,置位frame_err)

使用总结

以上流程为Aurora 8B10B IP核内部实现,开发者只需了解即可,无需关心起具体实现细节,开发者只需把Aurora 8B10B IP核输出的AXI4-Stream数据流送入自己的接收模块即可进行具体分析和处理;

Aurora8B10B 时钟架构

Aurora 8B10B IP核涉及多时钟域协同,关键时钟信号如下:

时钟交互要点:

跨时钟域同步:INIT_CLK用于复位逻辑(gt_reset需同步至该时钟域),避免亚稳态

用户时钟生成:USER_CLK由GT收发器的CDR(时钟数据恢复)电路产生,确保与输入数据同步

抖动要求:参考时钟(GT_REFCLK)需满足严格抖动限制(通常<1 ps RMS),否则高线速下链路失锁

Aurora8B10B IP核调用和使用

Aurora 8B10B IP核调用和使用很简单,通过vivado的UI界面即可完成,如下:

然后配置如下:

具体配置要根据自己的项目需求而定,上图只是博主的配置,仅供参考;

AXIS视频流恢复

AXI4-Stream视频流再送入纯verilog代码实现的AXIS视频流重组模块实现信号恢复,因为Aurora 8B10B接收接口不带tuser信号,所以需要在嵌入数据中的tuser恢复出来;将AXIS视频流恢复模块直接拖入Block Design中,如下:

AXIS视频流写缓存

然后AXI4-Stream视频流送入本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像写缓存模块,实现视频写入DDR缓存操作;AXIS视频流写缓存模块代码架构如下:

AXIS视频流写缓存模块配置项如下:

AXIS视频流写缓存模块配置在Block Design中如下:

AXIS视频流读缓存

然后使用本博主自研的纯verilog实现的、AXI4-Stream接口的图像读缓存模块,实现视频从DDR读出操作;AXIS视频流写缓存模块代码架构如下:

AXIS视频流读缓存模块配置项如下:

AXIS视频流读缓存模块配置在Block Design中如下:

视频读取控制

图像缓存架构使用VGA时序模块完成视频读取控制,VGA时序模块负责产生VGA时序,他有两个作用,一是控制FDMA控制器从DDR3中读出缓存的视频,二是将同步后的VGA视频送入下一级的UVC图像处理模块,VGA时序模块代码架构如下:

RGB888转YUV422

根据UVC协议,UVC传输视频格式为YUV422,所以需将RGB888转为YUV422。本设计提供纯verilog实现的RGB888转YUV422模块,如下:

UVC图像处理

UVC图像处理模块主要实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理,完成UVC协议层,并以标准的FT602用户IO读写时序输出;模块代码架构如下:

UVC图像处理模块顶层接口如下:

FT602芯片

FT602 是 USB-to-FIFO 接口 SuperSpeed USB(USB 3.1 Gen 1)USB 视频类(UVC)桥接芯片具有以下特点:

1:支持 USB 3.1 GEN 1 超高速:(5Gbps)/ USB 2.0 高速(480Mbps);

2:支持 USB 传输类型:控制/散装/中断;

3:支持 UVC 1.1 版:支持最多 4 个视频输入通道;

4:FIFO 总线:支持 2 个并行从 FIFO 总线协议,245 FIFO 和多通道 FIFO 模式,数据突发速率高达 400MB / s,32 位并行接口;

5:内置 16kB FIFO 数据缓冲 RAM;

6:用于视频设备的内置 I2C 主接口;

7:组态:

7.1:支持多电压 I / O:1.8V,2.5V 和 3.3V;

7.2:内部 LDO 1.0V 稳压器;

7.3:集成的上电复位电路;

7.4:用户可编程 USB 和 UVC 描述符;

7.5:工业工作温度范围:-40 至 85⁰C;

7.6:符合 RoHS 标准的紧凑型无铅 QFN-76 封装;

芯片框图如下:

参考电路如下:

UVC接收显示

UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层;用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口;无需安装驱动,直接打开Win10自带的相机软件,即可看到FPGA采集发来的图像。如下:

工程源码架构

本博客提供4套工程源码,以工程源码1为例,vivado Block Design设计如下,其他工程与之类似:

本博客提供4套工程源码,以工程源码1为例,使工程源码架构如下,其他工程与之类似:

4、vivado工程源码1详解-->Artix7-35T,OV5640输入Aurora8B10B转UVC

开发板FPGA型号:Xilinx--Artix7--xc7a35tfgg484-2;

FPGA开发环境:Vivado2019.1;

输入:OV5640摄像头或动态彩条,分辨率1280x720@30Hz;

输出:USB3.0 UVC,分辨率1280x720@60Hz;

光口回环方式:单路SFP光口回环,或上路回环,或板间点对点回环;

光编解码协议:Aurora8B10B编解码;

高速收发器类型:Xilinx--GTP高速收发器,线速率5Gbps;

图像缓存方案:纯verilog方案,DDR3做介质,图像3帧缓存;

USB3.0 UVC协议层方案:纯逻辑实现;

USB3.0 UVC物理层方案:FT602芯片;

工程作用:让读者掌握FPGAFPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC输的设计能力,以便能够移植和设计自己的项目;

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容;

工程的资源消耗和功耗如下:

5、vivado工程源码2详解-->Artix7-35T,HDMI输入Aurora8B10B转UVC

开发板FPGA型号:Xilinx--Artix7--xc7a35tfgg484-2;

FPGA开发环境:Vivado2019.1;

输入:HDMI(笔记本输入模拟Sensor)或动态彩条,分辨率1920x1080@60Hz;

输出:USB3.0 UVC,分辨率1920x1080@60Hz;

光口回环方式:单路SFP光口回环,或上路回环,或板间点对点回环;

光编解码协议:Aurora8B10B编解码;

高速收发器类型:Xilinx--GTP高速收发器,线速率5Gbps;

图像缓存方案:纯verilog方案,DDR3做介质,图像3帧缓存;

USB3.0 UVC协议层方案:纯逻辑实现;

USB3.0 UVC物理层方案:FT602芯片;

工程作用:让读者掌握FPGA实现Aurora 8B10B视频转UVC传输的设计能力,以便能够移植和设计自己的项目;

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容;

工程的资源消耗和功耗如下:

6、vivado工程源码3详解-->Artix7-100T,OV5640输入Aurora8B10B转UVC

开发板FPGA型号:Xilinx--Artix7--xc7a100tfgg484-2;

FPGA开发环境:Vivado2019.1;

输入:OV5640摄像头或动态彩条,分辨率1280x720@30Hz;

输出:USB3.0 UVC,分辨率1280x720@60Hz;

光口回环方式:单路SFP光口回环,或上路回环,或板间点对点回环;

光编解码协议:Aurora8B10B编解码;

高速收发器类型:Xilinx--GTP高速收发器,线速率5Gbps;

图像缓存方案:纯verilog方案,DDR3做介质,图像3帧缓存;

USB3.0 UVC协议层方案:纯逻辑实现;

USB3.0 UVC物理层方案:FT602芯片;

工程作用:让读者掌握FPGAFPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC输的设计能力,以便能够移植和设计自己的项目;

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容;

工程的资源消耗和功耗如下:

7、vivado工程源码2详解-->Artix7-100T,HDMI输入Aurora8B10B转UVC

开发板FPGA型号:Xilinx--Artix7--xc7a100tfgg484-2;

FPGA开发环境:Vivado2019.1;

输入:HDMI(笔记本输入模拟Sensor)或动态彩条,分辨率1920x1080@60Hz;

输出:USB3.0 UVC,分辨率1920x1080@60Hz;

光口回环方式:单路SFP光口回环,或上路回环,或板间点对点回环;

光编解码协议:Aurora8B10B编解码;

高速收发器类型:Xilinx--GTP高速收发器,线速率5Gbps;

图像缓存方案:纯verilog方案,DDR3做介质,图像3帧缓存;

USB3.0 UVC协议层方案:纯逻辑实现;

USB3.0 UVC物理层方案:FT602芯片;

工程作用:让读者掌握FPGA实现Aurora 8B10B视频转UVC传输的设计能力,以便能够移植和设计自己的项目;

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容;

工程的资源消耗和功耗如下:

8、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1:如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致,则直接打开工程;

2:如果你的vivado版本低于本工程vivado版本,则需要打开工程后,点击文件-->另存为;但此方法并不保险,最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本;

3:如果你的vivado版本高于本工程vivado版本,解决如下:

打开工程后会发现IP都被锁住了,如下:

此时需要升级IP,操作如下:

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致,则需要更改FPGA型号,操作如下:


更改FPGA型号后还需要升级IP,升级IP的方法前面已经讲述了;

其他注意事项

1:由于每个板子的DDR不一定完全一样,所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置,甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP,重新配置;

2:根据你自己的原理图修改引脚约束,在xdc文件中修改即可;

3:纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核;

9、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下:

FPGA开发板;

OV5640摄像头或ADV7611转接板:

FT602转接板(FPGA开发板板载FT602芯片的除外);

笔记本电脑或者PC主机;

USB3.0数据线;

SFP光模块和光纤;

我的开发板连接如下:

UVC详细测试步骤

第1步:

用USB3.0线缆连接FPGA开发板至PC端电脑的USB3.0接口;

!!!注意!!!注意!!!注意

USB线一定要是3.0的,区别方法是USB口内部的塑料件是蓝色的,对应的,电脑的USB口也必须是3.0的;

USB线与电脑连接,一定要是直连,不能有转接的HUB,也就是开发板与电脑USB口直连;

第2步:

下载工程的bit文件至FPGA开发板,如下:

第3步:

打开我的电脑-->管理-->设备管理器-->. 照相机,可以看到FT602的UVC设备,如下:

第4步:

打开Win10自带的相机APP,如下:

此时,我们并不能看到图像,需要设置一下相机默认的分辨率,如下:

如果我们下载的是OV5640摄像头转UVC的工程bit,那么UVC分辨率就是1280x720@60Hz,此时UVC分辨率设置如下:

如果我们下载的是HDMI摄像头转UVC的工程bit,那么UVC分辨率就是1920x1080@60Hz,此时UVC分辨率设置如下:

以下载彩条视频工程为例,此时我们可以看到图像,如下:

以下载OV5640摄像头工程为例,此时我们可以看到图像,如下:

以下载HDMI输入工程为例,此时我们可以看到图像,如下:

UVC视频录制本地保存

基于Win10自带APP的强大功能,我们还可以用相机的录制功能,将采集到的视频保存到本地,点击录制,如下:

录制完成后,系统自动保存视频,点击如下位置查看:

并可点击播放录制的视频,如下:

Win10自带APP功能强大,除了录制外,还有拍照等其他功能,期待你的进一步应用开发。

USB3.0 UVC 视频传输效果演示

USB3.0 UVC 视频传输效果演示如下:

FPGA基于FT602实现USB3.0 UVC 视频传输

10、工程代码的获取

代码太大,无法邮箱发送,以某度网盘链接方式发送。

资料获取方式:文章末尾的V名片。

网盘资料如下:

此外,有很多朋友给本博主提了很多意见和建议,希望能丰富服务内容和选项,因为不同朋友的需求不一样,所以本博主还提供以下服务:

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