建立一個(gè)基于FPGA的動(dòng)態(tài)圖片顯示基礎(chǔ)框架

系統(tǒng)框圖

前面我們?cè)O(shè)計(jì)了基于FPGA的靜態(tài)圖片顯示，并對(duì)一幅彩色圖片提取了灰度，學(xué)習(xí)了RGB轉(zhuǎn)Gray算法。這是基于一幅靜態(tài)圖片的，那么后面我們要模擬一下一幅動(dòng)態(tài)圖片的顯示，最終對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、邊緣檢測(cè)等算法，下來(lái)我們首先來(lái)建立一個(gè)基于FPGA的動(dòng)態(tài)圖片顯示基礎(chǔ)框架，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：由PC端上位機(jī)軟件通過(guò)串口發(fā)送一幅圖像數(shù)據(jù)至FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最后掃描到VGA屏幕上顯示。

　　從系統(tǒng)框圖上我們可以看到，可以劃分為三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，一個(gè)是串口接收部分，然后是RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，最后是VGA驅(qū)動(dòng)顯示部分。這里串口接收部分只需要用到串口接收代碼，代碼很多書上都有，我這里就不貼出來(lái)了，

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分需要使用的是雙口RAM IP Core，一端將數(shù)據(jù)寫入RAM中，一端將數(shù)據(jù)讀出來(lái)用VGA顯示，下面是基于Vivado的雙口RAM IP Core調(diào)用方法。

打開IP Catalog，選擇block memory Generater

這里按如圖所示選擇，我這里將寫使能信號(hào)去掉，wea也可以代表寫使能

設(shè)置寫數(shù)據(jù)位寬和深度，使能選擇always enable

設(shè)置讀數(shù)據(jù)參數(shù)

這里因?yàn)槲覀兪峭鵕AM里面寫數(shù)據(jù)，所以這里不需要添加初始化RAM文件

點(diǎn)擊OK

最后generate綜合完成。

雙口RAM IP調(diào)用完成以后，接下來(lái)是在用頂層文件把串口接收模塊和存儲(chǔ)模塊和VGA驅(qū)動(dòng)模塊連接起來(lái)。這里需要注意的是，雙口RAM的讀地址和寫地址都是需要在其他模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)的，我這里把寫使能信號(hào)設(shè)置為標(biāo)串口接收完成標(biāo)志即rx_done，讀使能設(shè)置為always enable。對(duì)于VGA顯示圖片部分可以參考這個(gè)圖像處理系列文章第一篇基于FPGA的靜態(tài)圖片顯示。

按照系統(tǒng)流圖，還需要添加串口接收和發(fā)送模塊，這里我們可以把以前做過(guò)的串口代碼直接拿過(guò)來(lái)用，代碼都是可以移植的只需要稍微修改端口頂層例化即可。按照系統(tǒng)框圖把頂層例化好之后，接下來(lái)就是仿真了，真是慚愧我到現(xiàn)在才學(xué)會(huì)了串口的仿真技巧，其實(shí)是自己悟到的，如下圖，我這里的串口接收是以發(fā)送波特率的16倍進(jìn)行接收的，在仿真時(shí)，波特率9600還是很慢，所以，我直接將接收波特率這里設(shè)置成50Mhz的兩個(gè)時(shí)鐘周期，那么發(fā)送也就是32個(gè)50Mhz的時(shí)鐘周期，這里是50Mhz的原因是因?yàn)榈菍懘诮邮瞻l(fā)送這塊的時(shí)候，使用的板子的系統(tǒng)時(shí)鐘是50Mhz，這里移植的時(shí)候也要注意，最好使用PLL將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻成50Mhz再給接收發(fā)送這兩個(gè)模塊。仿真圖我就不貼了，這里把testbench的核心代碼部分貼出來(lái)！

1 //串口接收模塊波特率查找表
 2 always @(posedge mclk or negedge rst_n) begin
 3     if(!rst_n)
 4         bps_DR <= 0;    
 5     else begin
 6         case(baud_set)
 7         0: bps_DR <= 324;//bps_9600x16
 8         //0: bps_DR <= 1;//bps_9600x16 just test
 9         1: bps_DR <= 162;//bps_19200x16
10         2: bps_DR <= 80;//bps_38400x16
11         3: bps_DR <= 53;//bps_57600x16
12         4: bps_DR <= 26;//bps_115200x16
13         default: bps_DR <= 324;//bps_9600x16
14         endcase
15     end
16 end     
17 //串口發(fā)送模塊波特率查找表DR_LUT
18 always @(posedge mclk or negedge rst_n)begin
19     if(!rst_n)
20         bps_DR <= 16'b0;    
21     else begin
22         case(baud_set)
23         0: bps_DR <= 5207;//bps_9600
24         //0: bps_DR <= 31;//bps_9600 just test
25         1: bps_DR <= 2603;//bps_19200
26         2: bps_DR <= 1302;//bps_38400
27         3: bps_DR <= 867;//bps_57600
28         4: bps_DR <= 433;//bps_115200
29         default: bps_DR <= 5207;//bps_9600
30         endcase
31     end
32 end

　　那么參數(shù)調(diào)整小了，仿真這塊這么寫呢？在test_bench文件中，我直接調(diào)用上面的工程頂層和串口發(fā)送模塊，只需要將發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)給頂層模塊，這樣就方便了查看接收模塊是否正確，

1 VGA_display_picture uut_VGA_display_picture(
 2     .clk                (clk),//50mhz
 3     .rst_n                (rst_n),
 4     .lcd_data            (lcd_data),
 5     .lcd_hs                (lcd_hs),
 6     .lcd_vs                (lcd_vs),
 7     .baud_set            (baud_set),//uart baud
 8     .data_byte            (data_byte),
 9     .send_en            (send_en)
10     
11     );
12 always #4 clk = ~clk; 
13     
14 always #10 mclk = ~mclk;
15 
16 UART_Byte_Tx uut_UART_Byte_Tx(
17      .mclk                (mclk),
18      .rst_n                (rst_n),    19      .send_en            (send_en),//時(shí)鐘分頻使能    
20      .baud_set            (4'b0),//選擇波特率    
21      .data_byte            (data_byte),//需要發(fā)送的信號(hào)   
22      .tx_done            (),//標(biāo)志串口結(jié)束信號(hào)    
23      .rs232_tx            (rs232_rx)//串口信號(hào)輸出   
24   );

　　然后是寫激勵(lì)，在工程代碼中我們盡量少用for循環(huán)，但是在測(cè)試文件中便可以使用for循環(huán)來(lái)減少激勵(lì)的書寫量，提高仿真效率，這里的#7040是我在上面仿真的時(shí)候計(jì)算出來(lái)的，為什么是延時(shí)7040呢？這是因?yàn)樯厦娲诎l(fā)送模塊波特率設(shè)置的是32個(gè)50Mhz時(shí)鐘周期，那么它就是每隔7040ns會(huì)發(fā)送一次，同樣的接收模塊也是每隔7040ns接收一次，所以我這里每隔7040ns給一次數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)仿真上連續(xù)發(fā)送了。

1 integer i;
 2 
 3 initial begin
 4     clk = 0;
 5     mclk = 0;
 6     rst_n = 0;
 7     send_en = 0;
 8     data_byte = 0;
 9 #100; rst_n = 1'b1;
10     send_en = 1;
11     for(i = 1; i <= 100; i = i + 1)begin
12         #7040 data_byte = i;
13     end
14 end

這樣硬件部分其實(shí)就已經(jīng)完成了，現(xiàn)在我們需要的是一幅圖片的像素?cái)?shù)據(jù)然后通過(guò)上位機(jī)串口調(diào)試助手發(fā)送給FPGA開發(fā)板，首先找一幅200x200的圖像數(shù)據(jù)，因?yàn)槲疫@里是開出的200x200的顯示區(qū)域（參考如上鏈接），使用MATLAB就可以直接生成你想要的這幅圖像的像素?cái)?shù)據(jù)，這里的MATLAB代碼我給出鏈接：http://pan.baidu.com/s/1dFAMPjj 密碼：uu71，只需要修改下面如圖所示的imread（””）這里就好了，就可以直接轉(zhuǎn)化你想轉(zhuǎn)化的圖片。注意圖片必須和這個(gè).m文件在同一個(gè)文件夾，最后生成一個(gè)txt文件，這個(gè)txt文件里面的數(shù)據(jù)就是我們所需要的圖像數(shù)據(jù)

其實(shí)這三個(gè)文件里面的數(shù)據(jù)是完全相同的，那為什么不直接用前面那兩個(gè)文件的數(shù)據(jù)呢？這里博主親身體驗(yàn)過(guò)，那是絕對(duì)不行的，因?yàn)榍懊鎯蓚€(gè)文件的數(shù)據(jù)其實(shí)是有回車的，可能會(huì)被串口默認(rèn)為一個(gè)字符，txt文件中是沒(méi)有的，空格的話這里被串口調(diào)試助手忽略了！如下圖，點(diǎn)擊發(fā)送就OK啦！