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第十七章 只为了你——基于FPGA的真彩VGA显示的实现

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一、讲真彩显示的理由:

前面讲了这么多的VGA,至此,应该有一个大概的了解。我想,就算前面讲的你都玩得很帅气了,你还是会很不爽。因为,毕竟这是电脑的液晶,为啥我们就不能做的想电脑一样显示彩色的图片呢?只是单纯的显示线条,字符,感觉还是在玩LCD1602、LCD12864似地,不爽,不爽,灰常的不爽。那么大的VGA,不做点像样的东西,还真的很不甘心。

视觉的冲击,真彩的诱惑,内心的萌动,如果你是个不愿意放弃的人,没做到真彩显示,我想,你应该不会那么踏实;如果你是一个对视觉有冲动的人,单调的VGA驱动,决不会甘心。Bingo当年就是很不爽,为了那一刻,走一步,再走一步,潜行了很久,终于在某年某月某一天,视觉暂留于荧光屏,彩色的诱惑,阻隔了前面的世界,历史从此定格。

本章将讲述VGA真彩显示的设计,通过硬件设计,软件设计,以及各种不同的方案来讲解,同时通过对Bingo设计的真彩显示的一个工程稍做分析;最后展望未来,继续走下一步,视觉暂留的我们不能就此停下脚步,,风雨兼程决不放弃,接下来要做的将会更多更多,其实这才是真正的开始。

二、真彩显示的要求

1、数据的流通

要想在VGA上显示一张彩色的图片,就必须有充足的条件。简单的说,那就必须要有图片数据源、要能实现数据缓存,最后以标准的时序给VGA刷屏。整体流程如下图所示:

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(1)外部数据源,由CPU捕获

(2)由CPU捕获的数据,缓存与SRAM或者SDRAM等显存

(3)由CPU控制VGA状态,以固定的时序给VGA刷屏

关于标准时序给VGA刷屏也就是以上的(3),Bingo在前面两张已经讲的非常清楚,掌握的朋友应该可以应用自如了。前文中VGA的驱动没有数据源(暂且认为Mif文件的数据属于逻辑电路的描述),我们只是用FPAG逻辑描述的电路,给VGA固定坐标显示固定的内容。因此,这一章的关键是将VGA刷屏的数据源,以及数据缓存处理,Bingo通过分析数据流通渠道来分析VGA真彩图像显示的技术。

2、色彩的识别

关于图像的格式,有JPEG、BMP、PNG等多种格式;图像的位数,也有单色、4灰、256色、4096色、16位真彩色、24位真彩色、32位真彩色这几种。

有一种方法是直接通过读取存放于SD卡、U盘等移动数据的图片,通过图片解码来得到图像数据,真彩显示。FPGA并行数据输出,经过数模转换(电阻网络转换或者视频转换芯片),得到16位以上的VGA数据。人眼不能分辨的极限,至少也需要16位真彩色。16位以上的数据,24位、32位,人眼基本无法分辨清楚,因此,要求不是很高的情况下16位真彩色已经足够胜任。

前面讲过的VGA驱动,最基本的分辨率有如下三种:

(1)VGA_640_480_60FPS_25MHz

(2)VGA_800_600_72FPS_50MHz

(3)VGA_1024_768_60FPS_65MHz

可见,至少25MHz的速度刷屏,需要我们在软件中实现显卡刷屏的功能;在最小图片容量即(1)模式下的数据量是640*480*16 = 4915200Bits = 600KB,在(3)模式下的数据量是1024*768*16 = 1.5MB。如此大的图片数据,需要有如此容量的缓存区。

综上,也就是说,要实现真彩图像VGA显示,第一需要16位以上的VGA驱动电路,第二需要足够的容量来存放图片。

三、各种方案的汇总

1. 静态数据源

所谓静态数据源,就是数据已经保存在系统中,不能再改变的的数据源。为了显示真彩图像,我们可以将图像数据存放于SDRAM,或者Flash,从而通过读取IC上已经存储的图像数据,显存于SRAM,利用前面Bingo设计的VGA可移植模块驱动刷屏,实现真彩图像的显示。基本的架构就是:

FPGA + 静态数据源 + SDRAM/SRAM + VGA

当然此处数据存放于SDRAM,我们可以用Nios II 的C存放于数组,通过JTAG下载;FLASH中的数据,我们可以用Nios II 中的 Flash Programmer来完成配置。关于SDRAM中存放图像数据来实现真彩图像时最基本最简单的方法,Bingo将会在后文讲解。

2. 动态数据源

所谓动态数据源,就是可以实时传输数据来改变显示的数据源。这关系数据传输的终端,以及数据传输的通道。基本的架构就是:

FPGA + 动态数据源 + SDRAM/SRAM + VGA

(1)前面章节中Bingo讲过的UART/USB硬核的编写,或者直接利用Quatus II 偏上系统的UART/USB软核,来作为动态数据通道。在这里可以应用,我们把PC当做智能终端,通过电脑处理,输出图片数据,更新SDRAM/SRAM内容,实时刷屏,从而更新VGA内容。当然由于带宽的限制,UART不可能达到实时显示,而USB则可以达到实时传输,但较UART接口的定义要稍微复杂。

(2)当然也不排除网络传输来作为动态数据源通道,实现动态真彩图片的显示。只是目前而言,可能难度有点大,但这只是时间问题。

(3)在这就是将图片数据存放于SD卡,通过驱动SD卡来缓存图片数据,然后刷屏显示真彩图像。

(4)此外,如果你玩过摄像头或者你想玩摄像头,我们也可以将摄像头作为外部数据源,来采集图像,传输至SDRAM/SRAM,提供给VGA刷屏,更是不错的方案。此方案关键在于摄像头的驱动,以及数据的处理,当硬件满足要求的情况下。实时显示,不在话下,因此受到了很多人的青睐。以下就是通过摄像头采集数据,实时显示的软件设计流程图:

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这个方案实际应用中已经很多,Bingo在未来某一天会详细讲解视频图像采集、识别、处理的,敬请稍候……

三、网上NB链接

VGA数码相框DIY-特权's Blog——永远忠于年轻时的梦想!

http://blog.ednchina.com/ilove314/33563/category.aspx

申酷!cpld+sdram方案 控制800480 7寸屏的相关资料,stm32底层函数驱动

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4355445&bbs_id=3020

曾经深受很多人打击的的 cpld+sdram tft控制器成功了

http://bbs.21ic.com/images/default/qq.gif

祝贺CPLD+SRAM完美现实TFT屏驱动!视频见证效果

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4269377&bbs_page_no=1&bbs_id=1029

终于看到了希望——基于美女的VGA系统构架 - CrazyBingo - 博客园.mht

http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/12/01/1892610.html

终于看到了希望——基于美女的VGA系统构架 - CrazyBingo - Ouravr论坛

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4437397&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=hanbin08041813&bbs_id=9999

四、Bingo的设计

1. 硬件设计

(1)16Bits RGB通道:真彩数据VGA接口。第十四章讲过VGA接口设计,要得到真彩数据,可以用电阻网络模拟,或者视频转换芯片来得到多路数字通道,此处Bingo采用了视频转换芯片ADV7120KST50,原理图如下:

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(2)SDRAM:Nios II 内存存储芯片,Bingo此处采用了HY57V641620 SDRAM,硬件原理图如下:

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(3)SRAM:VGA刷屏数据显存IC,此处采用了ISSI的IS61LV51216AL-10TI 作为高速显存芯片。

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2. 软件设计

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如上图所示,Bingo设计的真彩图像显示的工程的RTL图。

这应该算是真彩显示的最简单的设计吧,将图像数据随Nios II配置JTAG下载SDRAM,再读取专一值SRAM,刷屏实现真彩图像的VGA显示。本工程的软件架构如下,主要用了以下这几个模块:

System_Ctrl

PLL,复位等的异步信号同步化,保证系统稳定性

Vga_clk_core

Nios II CPU软核,处理预存SDRAM内的图片数据,传输给Verilog设计模块,sram_clrl,将数据存入SRAM

Sram_Ctrl

接受Nios II 软核发送过来的图片数据,并且缓存入SRAM

Vga_Driver

利用前文Bingo将结果的VGA驱动,读取SRAM内数据,直接刷屏

 

3. 注意问题

关于CPU传输数据给Sram_Ctrl模块,Bingo采用了模拟6800总线协议,来对数据进行交换处理。当然若有更好的方案,您可以自行设计协议,Verilog相当的灵活。

关于时钟的处理,由于设计中设计到了大量数据的传输,时序上需要严谨,因此要严格处理好CPU与Verilog的跨时钟、VGA刷屏时钟、复位信号等的协调,以及稳态亚稳态,甚至时序约束。

关于本设计的疑问,在此不做过多累赘讲解,请看Ouravr论坛Bingo当年的帖子,设计的工程已包含在本帖子中,说明以及问题的分析已经很明了。由于设计比较早,模块上并没有完全按照本书前面介绍的来,敬请谅解。帖子网址如下:

终于看到了希望——基于美女的VGA系统构架 - CrazyBingo - Ouravr论坛

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4437397&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=hanbin08041813&bbs_id=9999

五、各种效果图

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六、网络参考

(原創) 如何Real Time產生灰階影像? (SOC) (DE2) (TRDB-DC2)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2008/08/23/de2_cmos_gray.html

(原創) 如何設計一個數位相框? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (TRDB-LTM) (DE2-70)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2010/08/14/de2_70_photo_frame.html

(原創) 如何使用Standard Library作影像處理? (C/C++) (Image Processing)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2007/02/04/639740.html

(原創) 如何設計一個SD卡Wav Player? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2010/08/13/de2_70_sd_player.html

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http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4355445&bbs_id=3020