圖片WiFi傳輸與FPGA平臺顯示

東南大學微電子學院 陶 柱

為擴展FPGA在無線通信和圖像處理方面的應用，設計了一個基于上位機、Marvell8801 WiFi模塊、FPGA開發板和HDMI顯示器的圖片WiFi傳輸與顯示系統。本文首先介紹了系統的功能結構，然后介紹系統的主要模塊。最后通過功能測試，表明本系統的可行性。

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，也成為一大技術研究重點。近年來智能設備越來越普及，圖像處理和顯示技術的要求也愈來愈高。傳統的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性的增長。使用FPGA來進行圖像的處理和顯示，也是近年來的技術熱點。

1 系統功能結構

本系統分為兩大部分，第一部分為上位機，主要負責圖片像素數據的讀取，以及TCP的server端的搭建；第二部分為FPGA開發板及其外設，主要負責圖幀數據的接收，緩存和顯示器。本系統的功能結構框圖，如圖1所示。

圖1 系統的功能結構框圖

若想把圖片從計算機無線傳輸到FPGA開發板上，而TCP/IP通信協議一般不支持圖片格式的無線傳輸，因此需要把圖片轉化成TCP/IP支持的字節數據，可以是16位，24位或者32位的像素數據。

進行無線傳輸必須要進行無線網絡的連接，這里是計算機和Marvell8801 WiFi模塊的連接。對接收過來的圖片像素數據進行圖幀緩存，FPGA片內資源非常有限，需要使用片外資源，FPGA平臺常用的片外資源是DDR。顯示接口選擇主流接口HDMI。

2 系統關鍵技術

2.1 圖片像素讀取

本系統傳輸的圖片格式目前針對BMP格式的圖片，從圖片提取16位像素數據的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也類似。

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

2.2 WiFi通信系統的搭建

WiFi通信系統包括兩部分，一是上位機內socket編程實現的TCP server端，負責連接IP地址和端口，同時計算機連接WiFi信號；二是作為FPGA開發板外設的WiFi模塊，通過SDIO接口與FPGA開發板連接。

套接字(sockets)是通訊的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。可以將套接字看作不同主機間的進程進行雙向通信的端點，它構成了在單個主機內及整個網絡間的編程界面。套接字的服務進程和客戶進程在通信前必須創建各自的套接字并建立連接，然后才能對相應的套接字進行“讀”、“寫”操作，實現數據的傳輸。

2.3 DDR3圖幀緩存和HDMI顯示

在FPGA中調用DDR3控制器IP來完成對該存儲器的讀寫。本模塊的設計是以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。基于MIG IP的輸入輸出接口，圖幀緩存和HDMI顯示的整體設計框圖如圖2所示。

圖2 圖幀緩存和顯示設計框圖

3 功能測試

本系統主要測試兩大功能，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，進行HDMI顯示。

SDIO接口進行通信傳輸數據，選擇一個160KB的Lena1.txt文件，測試WiFi系統是否可以通信，測試結果如圖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平臺和上位機進行通信，且速度為26Mbps（約3.25MB/s），可以滿足圖片無線傳輸的需要。

圖4 WiFi速度測試結果

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，可以進行圖片的傳輸，DDR3的圖幀緩存和HDMI顯示功能也正常。