VGA/TFT显示图像学习笔记

最新推荐文章于 2024-05-26 21:17:06 发布

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VGA显示图像学习笔记

一、VGA显示原理

首先，我们需要先了解一下屏幕图像显示中的分辨率/像素，先了解有关像素的知识，日常生活中所描述的分辨率，比如640×480，1920×1080等等，这指的都是屏幕显示区域的像素值，即，宽有640个像素，长有480个像素，而每一个像素都是由R、G、B三种原色组成的，这三种颜色，按照亮度，每一种颜色都可以分为0~255共256个等级，0表示亮度为0%，255表示亮度为100%，数值代表的是颜色的亮度，三种颜色的不同亮度相互组合成立了大千世界的各种颜色，而在数字电路中，每一种颜色我们都可以定义为位宽为8比特的数据。所以每一个像素的数据位宽即为3×8，即位宽为24。

其次，需要了解一下VGA显示的扫描方式，如图所示。常见的彩色显示器一般由CRT（阴极射线管）构成，色彩是由RGB三基色组成，显示是用逐行扫描的方式解决，阴极射线枪发出的电子束打在涂有荧光粉的的荧光屏上，产生RGB三基色，合成一个彩色像素，扫描从屏幕左上方开始，从左到右，从上到下进行扫描，每扫描完一行，电子束都回到屏幕的下一行左边的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行行同步，扫描完所有行，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方，同时进行场消隐，预备下一场的扫描。随着显示技术的，出现了液晶显示器，液晶显示器的成像原理与CRT 不同，液晶显示器是通过对液晶像素点单元施加电压与否，来实现液晶单元的透明程度，并添加三色滤光片、分别使R、G、B 这三种光线透过滤光片，最后通过3 个像素点合成一个彩色像素点，从而实现彩色显示。由于液晶技术晚于CRT 显示技术诞生，为了能够兼容传统的显示接口，液晶显示器通过内部电路实现了对VGA 接口的完全兼容。因此，在使用显示器时，只要该显示器带有标准的VGA 接口，就不用去关注其成像原理，直接使用标准的VGA 时序即可驱动。RGB 接口的TFT 屏，扫描方式与VGA 完全一致。不同之处只是在于，VGA 显示器是接收模拟信号，而TFT 屏则省略了这一过程，直接接受数字信号。例如，在驱动VGA 时首先产生对应像素的颜色数字信号编码，再使用数模转换电路(例如ADV7123)将数字转换为模拟信号，然后通过VGA 线缆将模拟信号传输到VGA 显示器上进行显示。而TFT 屏则直接省略了数模转换这一过程，直接将接收到的数字信号进行显示。因此在控制器设计端，并没有任何区别，
只是需要适当的根据不同的分辨率修改相对应的一些参数即可。

VGA显示图像模块划分

根据VGA的显示原理，结合待显示的内容，我们对VGA显示进行模块划分，需要根据任务要求（譬如我这次是做一个200×200的图片显示）划分模块，如图所示，VGA_control即为VGA控制器，这个模块是输出VGA的行场控制信号，数据使能信号，显示数据，VGA/TFT工作时钟以及扫描位置信号，image_extract是桥接VGA_control和ROM IP，VGA_control输出扫描位置信号至image_extract，其产生数据读取的地址，从ROM IP中读取数据，并传输至VGA_控制器中，由其转化为待显示的RGB数据。pll是时钟分频IP，用来生成不同的时钟频率，由于我此次使用显示屏分辨率是800×480，开发板的时钟频率为50M，而以每秒60帧显示的话，VGA/TFT的工作时钟则为33M，VGA_top是用来协调各个模块。
在这里插入图片描述

VGA控制器模块

完整源码及注释如图所示

module VGA_control(
input               rst_n    ,
input               clk      ,
input        [23:0] data     ,//输入的图像数据
output   reg [23:0] VGA_RGB  ,//输出的图像数据
output   reg        VGA_BLK  ,//数据有效信号
output   reg        data_req ,
output   reg        VGA_HS   ,//行同步信号
output   reg        VGA_VS   ,//场同步信号
output   reg [11:0] h_count  , //当前行扫描位置坐标
output   reg [11:0] v_count    //当前场扫描位置坐标
);

`include "vga_parameter.v"
localparam hsync_end = `H_Total_Time;
localparam hs_end = `H_Sync_Time;
localparam hdata_begin = `H_Sync_Time + `H_Back_Porch + `H_Left_Border;
localparam hdata_end = `H_Sync_Time + `H_Left_Border + `H_Back_Porch + `H_Data_Time;
localparam vsync_end = `V_Total_Time;
localparam vs_end = `V_Sync_Time;
localparam vdata_begin =  `V_Sync_Time + `V_Back_Porch + `V_Top_Border;
localparam vdata_end = `V_Sync_Time + `V_Back_Porch + `V_Top_Border + `V_Data_Time;

reg [11:0]   HS_cnt; //行扫描计数器
reg [11:0]   VS_cnt; //场扫描计数器
//行扫描计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        HS_cnt <= 0;
    end
    else if(HS_cnt >= hsync_end - 1) begin
        HS_cnt <= 0;
    end
    else begin
        HS_cnt <= HS_cnt + 1'b1;
    end
end
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        VGA_HS <= 0 ;
    end
    else if (HS_cnt >= hs_end) begin
        VGA_HS <= 1'b1;
    end
    else begin
        VGA_HS <= 0;
    end
end
//场扫描计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        VS_cnt <= 0;
    end
    else if(HS_cnt == hsync_end - 1 ) begin
        if(VS_cnt >= vsync_end - 1)
            VS_cnt <= 0;
        else
            VS_cnt <= VS_cnt + 1'd1;
    end
    else begin
        VS_cnt <= VS_cnt;
    end
end
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        VGA_VS <= 0 ;
    end
    else if (VS_cnt >= vs_end) begin
        VGA_VS <= 1'b1;
    end
    else begin
        VGA_VS <= 0;
    end
end


//如果不加这个data_req，那么VGA_RGB输出得数据总是会比data慢一拍，加了data_req，并且在tb中让data_req低电平得时候，就把数据给进来
//这样子就能消除VGA_BLK慢了一拍得影响
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) 
        data_req <= 0 ;
    else if (HS_cnt >= hdata_begin - 1) 
        if (HS_cnt < hdata_end - 1)
            if(VS_cnt >= vdata_begin)
                if(VS_cnt < vdata_end)
                    data_req <= 1'b1;
                else 
                    data_req <= 0;               
            else 
                data_req <= 0;
        else
            data_req <= 0;        
    else 
        data_req <= 0;
end

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if (!rst_n) 
        VGA_BLK <= 0 ;
    else
        VGA_BLK <= data_req;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        VGA_RGB <= 0;
    else if(data_req <= 1'b1)
        VGA_RGB <= data;
    else
        VGA_RGB <= 0;
end

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        h_count <= 0;
    else if (data_req == 1'b1)
        h_count <= HS_cnt - hdata_begin;
    else 
        h_count <= 0;
end

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        v_count <= 0;
    else if (data_req == 1'b1)
        v_count <= VS_cnt - vdata_begin;
    else 
        v_count <= 0;
end

endmodule

image_extract模块

完整源码及其注释如图所示

module image_extract(

input     clk_ctrl,
input     reset_n,

input    disp_data_req,
input   [11:0]  visible_hcount ,
input   [11:0]  visible_vcount ,
input       Frame_Begin,

input    [15:0]  rom_data,

input    [15:0]  disp_back_color,
output   [15:0]  disp_data,
output reg [15:0] rom_addra

);

parameter H_Visible_area = 800;
parameter V_Visible_area = 480;
parameter IMG_WIDTH = 200;
parameter IMG_HEIGHT = 200;
parameter img_disp_hbegin = (H_Visible_area - IMG_WIDTH)/2;
parameter img_disp_vbegin = (V_Visible_area - IMG_HEIGHT)/2;


  wire       img_h_disp;
  wire       img_v_disp;
  wire       img_disp;
  wire [15:0]hcount_max;

  //判断设置的显示的起始位置是否会导致显示超出范围
 //assign h_exceed = img_disp_hbegin + IMG_WIDTH  > H_Visible_area - 1'b1;
  //assign v_exceed = img_disp_vbegin + IMG_HEIGHT > V_Visible_area - 1'b1;
  //不同的设置情况，显示区域做不同的处理
  assign img_h_disp = (visible_hcount >= img_disp_hbegin && visible_hcount < img_disp_hbegin + IMG_WIDTH);  
  
  assign img_v_disp = (visible_vcount >= img_disp_vbegin && visible_vcount < img_disp_vbegin + IMG_HEIGHT);
     
  assign img_disp = disp_data_req && img_h_disp && img_v_disp;
  
     
  always@(posedge clk_ctrl or negedge reset_n)
  begin
    if(!reset_n)
      rom_addra <= 16'd0;
    else if(Frame_Begin)
      rom_addra <= 16'd0; 
    else if(img_disp)begin
        rom_addra <= rom_addra + 1'b1;
    end    
    else
      rom_addra <= rom_addra;
  end

  assign disp_data = img_disp ? rom_data : disp_back_color;

 endmodule

VGA_top模块

module TFT_top(

input   clk50M,
input   reset_n,

output [15:0]  tft_rgb,
output tft_hs,
output tft_vs,
output tft_blk,//数据使能
output tft_bl,//背光控制
output tft_clk
);



  wire                      pll_locked;
  wire                      clk_ctrl;
  wire                      tft_reset_n;
  wire [15:0]             rom_addra;
	wire [15:0]               disp_data;
	wire [15:0]               rom_data;
    wire                      disp_data_req;
	wire [11:0]               visible_hcount;
	wire [11:0]               visible_vcount;
    wire [15:0]tft_rgb;
    wire Frame_Begin;
    assign tft_reset_n = pll_locked;
    assign tft_bl=1'b1; 
parameter DISP_BACK_COLOR = 116'hFFFF;
  pll pll
  (
    // Clock out ports
    .clk_out1(clk_ctrl    ), // output clk_out1
    // Status and control signals
    .resetn  (reset_n     ), // input reset,active low
    .locked  (pll_locked  ), // output locked
    // Clock in ports
    .clk_in1 (clk50M      )  // input clk_in1
  ); 

  rom_image rom_image (
    .clka  (clk_ctrl  ),   // input wire clka
    .addra (rom_addra ),   // input wire [16 : 0] addra
    .douta (rom_data  )    // output wire [15 : 0] douta
  );  
  

  image_extract image_extract(
    .clk_ctrl       (clk_ctrl       ),
    .reset_n        (tft_reset_n    ),
    .disp_back_color(DISP_BACK_COLOR),
    .rom_addra      (rom_addra      ),
    .rom_data       (rom_data       ),
    .Frame_Begin    (Frame_Begin    ),
    .disp_data_req  (disp_data_req  ),
    .visible_hcount (visible_hcount ),
    .visible_vcount (visible_vcount ),
    .disp_data      (disp_data      )
  );
  
  	TFT_driver TFT_driver(
		.ClkDisp(clk_ctrl),
		.rst_n(tft_reset_n),

		.data(disp_data),
		.data_req(disp_data_req),

		.h_count(visible_hcount),
		.v_count(visible_vcount),
                            
		.TFT_HS(tft_hs),
		.TFT_VS(tft_vs),
        .TFT_RGB(tft_rgb),
		.Frame_Begin(Frame_Begin),             
		.TFT_BLK(tft_blk),
		.TFT_PCLK(tft_clk)
	);
    
    endmodule