华科 基于FPGA的VGA显示实验.docx
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华科基于FPGA的VGA显示实验
电子线路测试与实验报告
基于FPGA的VGA显示实验
姓名：
专业班级：
光电1208
学号：
U2012
一、实验要求
功能要求：
利用Basys2实验板实现图片在VGA接口显示器上的显示。
基本要求：
1）实现240*160以上像素的图片在VGA接口显示器上的显示；
2）利用算法实现特定图片在VGA接口显示器上的放大、缩小旋转及其他动作的自动变换。
二、实验具体目标
1.首先实现特定图片在显示器上的显示；
2.图片自动旋转90度；
3.实现图片的放大与缩小，同样通过一个按键实现；
4.添加复位键，按下复位键后图片返回最初的状态。
三、实验原理
1.VGA的显示原理
在基于FPGA的VGA控制中，只需考虑行同步信号（HS），场同步信号（VS），以及红绿蓝三基色（R、G、B）这五个信号，即可实现对VGA显示的控制。
2.对图片的旋转与缩放操作
对图片的旋转操作在本质上是对IP核ROM的输入地址addr进行变换的过程。
在这里，假定显示的坐标分别为x_vdn以及y_vdn，由于图片是160*40的，在正常的显示时，addr与x_vdn以及y_vdn的对应关系应该为：
addr=x_vdn+y_vdn*160
即依次取像素点，图片正常显示。
要把图片顺时针旋转90度，那么相当于显示的图片是40*160的，重新考虑addr与两个坐标之间映射关系。
容易得到，此时：
addr=（39-x_vdn）*160+y_vd
对图片的缩放操作
对图片的缩放操作则只考虑以下两种变化，即放大一倍，此时图片的大小为320*80；缩小一倍，此时图片的大小为80*20。
对于图片的放大一倍，则要考虑不同的像素点对显示信号的共用（在这里即为m信号）。
由通常的规则，按照顺序，构成一个正方形的每四个相邻的像素点共用一个m信号。
同时，在这里对x_vdn以及y_vdn的最后一位判断，并且形成不同的映射规则。
具体的映射规则在源代码中给出。
对于图片的缩小，则相对简单的多。
此时的映射关系为：
addr=y_vdn*320+x_vdn*2;
3．工程结构与解读
如图，下图为系统的结构框图。
各模块之间的关系为：
__________top.v工程顶层模块
|
|______clkdiv.v时钟分频
|
|______my_vga.v同步信号模块
|
|______rom.xco像素数据
|
|______vga_stripes.vvga显示
说明：
顶层模块只是对各模块的调用；时钟分频是用于产生25MHz的扫描信号；同步信号用来产生相应的VGA显示控制信号；rom.xco是IP核，用来存放、输出要显示图片的数据信息。
最后一个模块则是显示模块，同时包括对图片的相关变换。
各模块的详细说明会在下文中给出。
四、源码清单
1.顶层模块（top.v）
moduletop（zoom,turn,clk,clr,hs,vs,red,green,blue
）;
inputzoom;//缩放信号
inputturn;//模式改变信号
inputclk;//时钟信号
inputclr;//复位信号
outpuths,vs;//水平和垂直输出
output[2:
0]red,green;//红绿蓝三色输出
output[1:
0]blue;
wireclk25;
wire[9:
0]hc,vc;
wirevidon;
wire[27:
0]cntdyn;
wire[7:
0]m;
wire[12:
0]addr;
clkdivu1（
.mclk（clk）,
.clr（clr）,
.clk25（clk25）
）;//u1为2分频程序，使时钟信号为25MHz
my_vgau2（
.clk（clk25）,
.clr（clr）,
.hs（hs）,
.vs（vs）,
.hc（hc）,
.vc（vc）,
.vidon（vidon）,
.cntdyn（cntdyn）
）;//u2为160*40VGA图像显示程序
//----160*40-----xilinx------
romu3（
.clka（clk25）,//inputclka
.addra（addr）,//input[12:
0]addra
.douta（m）//output[7:
0]douta
）;
//----160*40-----xilinx------u3为ROM的IP核，功能为存储、输出图片
vga_stripesu4（
.clr（clr）,
.zoom（zoom）,
.turn（turn）,
.vidon（vidon）,
.m（m）,
.hc（hc）,
.vc（vc）,
.red（red）,
.green（green）,
.blue（blue）,
.cntdyn（cntdyn）,
.addr（addr）
）;//u4对图像的显示进行各种操作
endmodule
说明：
顶层模块比较简单，只是对各分模块的调用。
2.时钟分频模块（clkdiv.v）
信号
模式
描述
mclk
Input
主时钟输入
clr
Input
复位键
clk25
output
输出25MHz时钟
moduleclkdiv（mclk,clr,clk25）;//对时钟信号进行二分频
inputmclk,clr;
outputclk25;
reg[1:
0]q;
assignclk25=q[0];//25Mhz
always@（posedgemclkorposedgeclr）
if（clr）
q<=0;
else
q<=q+1;
endmodule//实现25MHz的频率
3.控制信号模块（my_vga.v）
信号
模式
描述
clr
Input
复位
clk
Input
主时钟25MHz
hc[9:
0]
Output
行计数
vc[9:
0]
Output
场计数
cntdyn[27:
0]
Output
vga控制计数
vidon
Output
vidon可见信号
modulemy_vga（clk,clr,hs,vs,hc,vc,vidon,cntdyn
）;
inputclk,clr;
outputreghs,vs;
outputreg[9:
0]hc,vc;
outputregvidon;
outputreg[27:
0]cntdyn;
parameterhpixels=10'b1100100000;//800
parametervlines=10'b1000001001;//521
parameterhbp=10'b0010010000;//144
parameterhfp=10'b1100010000;//784
parametervbp=10'b0000011111;//31
parametervfp=10'b0111111111;//511
regvsenable;
always@（posedgeclkorposedgeclr）
begin
if（clr）
cntdyn<=0;
else
cntdyn<=cntdyn+1;
end
always@（posedgeclkorposedgeclr）
begin
if（clr）
hc<=0;
elsebegin
if（hc==hpixels-1）
begin
hc<=0;
vsenable<=1;
end
else
begin
hc<=hc+1;
vsenable<=0;
end
end
end
always@（*）
begin
if（hc<96）
hs=0;
else
hs=1;
end
always@（posedgeclkorposedgeclr）
begin
if（clr）
vc<=0;
else
if（vsenable==1）
begin
if（vc==vlines-1）
vc<=0;
else
vc<=vc+1;
end
end
always@（*）
begin
if（vc<2）
vs=0;
else
vs=1;
end
always@（*）
begin
if（（hchbp）&&（vcvbp））
vidon=1;
else
vidon=0;
end
endmodule
4.IP核rom（rom.xco）
这是一个调用IP核的模块，该模块有两个输入，除了clka为时钟信号外，addra是一个地址信号，通过addra的控制来输出不同的m信号。
rom模块示意图：
5.vga显示模块（vga_stripes.v）
信号
模式
描述
m[7:
0]
Input
像素数据
zoom
Input
缩放信号
turn
Input
翻转信号
vidon
Input
vidon像素可见
hc
Input
行同步
vc
Input
场同步
red
Output
红色
green
Output
绿色
blue
Output
蓝色
cntdyn
Output
vga控制
addr[10:
0]
Output
地址
modulevga_stripes（clr,zom,turn,vidon,m,hc,vc,red,green,blue,cntdyn,addr
）;
inputclr;
inputzoom;
inputturn;
input[7:
0]m;
inputvidon;
input[9:
0]hc,vc;
input[27:
0]cntdyn;
output[2:
0]red,green;
output[1:
0]blue;
output[12:
0]addr;//6400160*40
reg[7:
0]red_r;
reg[7:
0]green_r,blue_r;
regaddr;
reg[1:
0]mode;
reg[1:
0]set;
parameterhbp=10'b0010010000;//144
parametervbp=10'b0000011111;//31
reg[10:
0]y_vdn,x_vdn;
assignred=red_r[7:
5];
assigngreen=green_r[7:
5];
assignblue=blue_r[7:
6];
always@（*）
begin
y_vdn=vc-vbp;
x_vdn=hc-hbp;
end
always@（posedgeturnorposedgeclr）//选择模式
begin
if（clr）mode=0;//若复位，则选择模式0
elseif（turn）//若无复位，按键则模式加一
mode=mode+1;
end
always@（posedgezoomorposedgeclr）//当放大或复位信号处于上升沿时
beginif（clr）set=0;//若复位，大小设定选择0
elseif（zoom）//如果有放大信号
begin
if（set==2'b10）set=0;//若大小设定为2，则改为设定0，否则设定加一
elseset=set+1;
end
end
always@（*）//当有涉及到的变量改变时
if（vidon==1）
begin
if（set==2'b01）//设定1，显示320*80
begin
if（（（x_vdn>=0）&&（x_vdn<=319）&&（y_vdn>=0）&&（y_vdn<=79）））//如果0<=x_vdn<=319且0<=y_vdn<=79
if（（x_vdn[0]==0）&&（y_vdn[0]==0））addr=x_vdn/2+y_vdn*80;//起点为（0,0）时
elseif（（x_vdn[0]==0）&&（y_vdn[0]==1））addr=x_vdn/2+（y_vdn-1）*80;//起点为（0,1）时
elseif（（x_vdn[0]==1）&&（y_vdn[0]==0））addr=（x_vdn-1）/2+y_vdn*80;//起点为（1,0）时
elseaddr=（x_vdn-1）/2+（y_vdn-1）*80;//起点为（1,1）时
red_r<={m[7:
5],5'b00000};//显示
green_r<={m[4:
2],5'b00000};
blue_r<={m[1:
0],6'h00};
end
elsebegin//否则不显示
red_r<=0;
green_r<=0;
blue_r<=0;
end
end
elseif（set==2'b10）//设定2，显示80*20
begin
if（（x_vdn>=0）&&（x_vdn<=79）&&（y_vdn>=0）&&（y_vdn<=19））//如果0<=x_vdn<=79且0<=y_vdn<=19，则显示
begin
addr=y_vdn*320+x_vdn*2;
red_r<={m[7:
5],5'b00000};
green_r<={m[4:
2],5'b00000};
blue_r<={m[1:
0],6'h00};
end
elsebegin
red_r<=0;
green_r<=0;
blue_r<=0;
end
end
elsebegin
case（mode[0]）//模式选择
1'b0:
//为模式0时
if（（x_vdn>=0）&&（x_vdn<=159）&&（y_vdn>=0）&&（y_vdn<=39））//显示160*40
begin//160*40200=144+55+1
addr=y_vdn*160+x_vdn;
red_r<={m[7:
5],5'b00000};
green_r<={m[4:
2],5'b00000};
blue_r<={m[1:
0],6'h00};
end
elsebegin//其他地方不显示
red_r<=0;
green_r<=0;
blue_r<=0;
end
1'b1:
//为模式1时
if（（（x_vdn>=0）&&（x_vdn<=39）&&（y_vdn>=0）&&（y_vdn<=159）））//显示40*160
begin//160*40200=144+55+1
addr=（39-x_vdn）*160+y_vdn;
red_r<={m[7:
5],5'b00000};
green_r<={m[4:
2],5'b00000};
blue_r<={m[1:
0],6'h00};
end
elsebegin//其他地方不显示
red_r<=0;
green_r<=0;
blue_r<=0;
end
endcase
end
end
else//不显示
begin
red_r<=0;
green_r<=0;
blue_r<=0;
end
endmodule
说明：
相应的变量说明在表格中已经给出，有一点需要注意的是，在这里是先对zoom进行判断的，假如zoom为1，那就要对图片进行缩放处理。
只有在zoom为0的情况下，才会进行翻转的变换。
也就是说，这两个过程是有优先级的。
若要去掉这个优先级，代码会复杂一些。
同时，图片的放大只能对原图放大缩小，已经旋转的图片则不能。
6.引脚约束文件（top.ucf）
NET"clk"LOC=B8;
NET"clr"LOC=G12;
#Bank=2,Pinname=IO/D5,Type=DUAL,Schname=RED0
NET"red[0]"LOC=C14;
#Bank=2,Pinname=IO_L10N_2,Type=I/O,Schname=RED1
NET"red[1]"LOC=D13;
#Bank=2,Pinname=IO_L10P_2,Type=I/O,Schname=RED2
NET"red[2]"LOC=F13;
#Bank=2,Pinname=IO_L09N_2,Type=I/O,Schname=GRN0
NET"green[0]"LOC=F14;
#Bank=2,Pinname=IO_L09P_2,Type=I/O,Schname=GRN1
NET"green[1]"LOC=G13;
#Bank=2,Pinname=IO_L05N_2,Type=I/O,Schname=GRN2
NET"green[2]"LOC=G14;
#Bank=2,Pinname=IO/VREF_2,Type=VREF,Schname=BLU1
NET"blue[0]"LOC=H13;
#Bank=2,Pinname=IO_L03P_2/DOUT/BUSY,Type=DUAL,Schname=BLU2
NET"blue[1]"LOC=J13;
#Bank=2,Pinname=IO_L03N_2/MOSI/CSI_B,Type=DUAL,Schname=HSYNC
NET"hs"LOC=J14;
#Bank=2,Pinname=IO_L01P_2/CSO_B,Type=DUAL,Schname=VSYNC
NET"vs"LOC=K13;
NET"turn"LOC=A7;
#PlanAheadGeneratedphysicalconstraints
NET"zoom"LOC=M4;
说明：
处理相关的信号、颜色引脚按照手册来配置以外，clr、turn、zoom分别配置按键G12、A7、M4。
五、系统功能与测试结果
1.将bit下载到板子后，连接开发板和显示器的VGA接口，就能看到显示器上左上角显示该图片。
2.开发板上的A7键控制翻转，按一次图片会自动旋转90度，再按一次回复到原来的图形。
3.开发板上的M4键控制图片的放大与缩小，连续按键会让图片先放大一倍，再变为原图的缩小一倍，再回到原处。
4.在任何时刻按下G12键（即复位键），会回到原图的状态。
5.需要注意的是，在图片处于放大或者缩小的状态中，是不能对图片进行翻转操作的，但是在翻转的状态中则可以对图片进行缩放，但是缩放的也只是原图。
这是由程序中设计的优先级导致的。
6.测试结果：
可以完成上述功能，但是图片显示并不是很稳定。
六、心得体会与建议
1.这个实验是利用IP核来完成某项功能的，IP核是为开发人员提供便利的，但是怎么合理利用IP核、怎么创建其中有些细节需要去注意。
在这个实验中，重点并不是VGA显示，而是怎样利用IP核来显示特定的图片。
因为有范例，所以其中对各种参数的设置变得并不困难，各种参数的意义也更容易理解。
在了解VGA的基本原理后，就能比较快速地解决这个问题。
而利用matlab把图片转换为coe格式，再存入IPROM内由于有给出的程序，这一过程也变得并不复杂。
2．实际上实验结果还是有很多不足。
一个是做出来的图片像素要小于实验要求。
另一个存在的问题则是显示的图片不是特别稳定，扫描不太均匀，但是迫于时间原因并没有深究这个问题。
3.在设计旋转的过程中，可以看到输入rom模块的地址和屏幕显示坐标之间的映射关系是非常重要的。
假如只考虑90度的旋转，其实是可以很容易做出180度和270度的旋转的，但是其他的角度的话，映射规则会非常复杂，难以实现，故应该寻找其他跟好的算法。
4.心得体会：
这是一个非常好的锻炼机会，对于工科学生来说，重要的在于实践，在于
创造，在于自己主动地学习和创新，因此抓住这样的锻炼机会是对自己非常有好处的。
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