HDMI 输出实验

news2025/1/18 13:54:38

FPGA教程学习

第十四章 HDMI 输出实验

文章目录

  • FPGA教程学习
  • 前言
  • 实验原理
  • 实验过程
    • 程序设计
      • 时钟模块（video_pll）
      • 彩条产生模块（color_bar)
      • 配置数据查找表模块（lut_adv7511）
      • I2C Master 寄存器配置模块（i2c_config）
  • TODO
  • 总结
  • 参考

前言

  1. FPGA通过HDMI编码芯片输出彩条。

实验原理

开发板有一个HDMI编码芯片，ADV7511，将 24 位 RGB 编码输出 TMDS 差分信号。
本实验使用其将RGB24视频数据显示出来。
硬件原理图如下：
在这里插入图片描述
结合前面，从原理图（或者看手册，这里只是大致分析一下）上可以分析出：

  1. 编码输入是24位的数据，本实验是RGB
  2. 编码输出时TMDS 差分信号
  3. 编码芯片的配置接口是I2C
  4. HDMI接口上有I2C

实验过程

程序设计

在这里插入图片描述

时钟模块（video_pll）

负责产生一个100Mhz的时钟和一个1080P的148.5Mhz的像素时钟。
生成时钟 IP 的方法是点击 Project Manager目录下的 IP Catalog,再选择 FPGA Features and Design->Clocking->Clocking Wizard 图标。然后进行设置即可。

彩条产生模块（color_bar)

是产生 8 种颜色的 VGA 格式的彩条，彩条分别为白、黄、青、绿、紫、红、蓝和黑。产生分辨率为 1920x1080 刷新率为 60Hz 的彩条,也就是所谓的 1080P 的高清视频图像。

视频时序图：
在这里插入图片描述

模块要根据这个视频时序去看，用了几个寄存器来计数行场信号。
模块接口参数比较少，输入只有时钟和复位，其他都是输出。这里输出的时序是给编码芯片的。

module color_bar(
	input clk,            //像素时钟输入，1280x720@60P的像素时钟为74.25
	input rst,            //复位,高有效
	output hs,            //行同步、高有效
	output vs,            //场同步、高有效
	output de,            //数据有效
	output[7:0] rgb_r,    //像素数据、红色分量
	output[7:0] rgb_g,    //像素数据、绿色分量
	output[7:0] rgb_b     //像素数据、蓝色分量
);

//*************************************************************************\
//==========================================================================
//   Description:
//  彩条发生模块
//==========================================================================
//   Revision History:
//	Date		  By			Revision	Change Description
//--------------------------------------------------------------------------
//2013/5/7                     1.2         remove some warning
//2013/4/18                    1.1         vs timing
//2013/4/16	        		   1.0			Original
//*************************************************************************/
module color_bar(
	input clk,            //像素时钟输入，1280x720@60P的像素时钟为74.25
	input rst,            //复位,高有效
	output hs,            //行同步、高有效
	output vs,            //场同步、高有效
	output de,            //数据有效
	output[7:0] rgb_r,    //像素数据、红色分量
	output[7:0] rgb_g,    //像素数据、绿色分量
	output[7:0] rgb_b     //像素数据、蓝色分量
);
/*********视频时序参数定义******************************************/
//parameter H_ACTIVE = 16'd1280;  //行有效长度（像素时钟周期个数）
//parameter H_FP = 16'd110;       //行同步前肩长度
//parameter H_SYNC = 16'd40;      //行同步长度
//parameter H_BP = 16'd220;       //行同步后肩长度
//parameter V_ACTIVE = 16'd720;   //场有效长度（行的个数）
//parameter V_FP 	= 16'd5;        //场同步前肩长度
//parameter V_SYNC  = 16'd5;      //场同步长度
//parameter V_BP	= 16'd20;       //场同步后肩长度

parameter H_ACTIVE = 16'd1920;
parameter H_FP = 16'd88;
parameter H_SYNC = 16'd44;
parameter H_BP = 16'd148; 
parameter V_ACTIVE = 16'd1080;
parameter V_FP 	= 16'd4;
parameter V_SYNC  = 16'd5;
parameter V_BP	= 16'd36;
parameter H_TOTAL = H_ACTIVE + H_FP + H_SYNC + H_BP;//行总长度
parameter V_TOTAL = V_ACTIVE + V_FP + V_SYNC + V_BP;//场总长度
/*********彩条RGB color bar颜色参数定义*****************************/
parameter WHITE_R 		= 8'hff;
parameter WHITE_G 		= 8'hff;
parameter WHITE_B 		= 8'hff;
parameter YELLOW_R 		= 8'hff;
parameter YELLOW_G 		= 8'hff;
parameter YELLOW_B 		= 8'h00;                              	
parameter CYAN_R 		= 8'h00;
parameter CYAN_G 		= 8'hff;
parameter CYAN_B 		= 8'hff;                             	
parameter GREEN_R 		= 8'h00;
parameter GREEN_G 		= 8'hff;
parameter GREEN_B 		= 8'h00;
parameter MAGENTA_R 	= 8'hff;
parameter MAGENTA_G 	= 8'h00;
parameter MAGENTA_B 	= 8'hff;
parameter RED_R 		= 8'hff;
parameter RED_G 		= 8'h00;
parameter RED_B 		= 8'h00;
parameter BLUE_R 		= 8'h00;
parameter BLUE_G 		= 8'h00;
parameter BLUE_B 		= 8'hff;
parameter BLACK_R 		= 8'h00;
parameter BLACK_G 		= 8'h00;
parameter BLACK_B 		= 8'h00;
reg hs_reg;//定义一个寄存器,用于行同步
reg vs_reg;//定义一个寄存器,用户场同步
reg hs_reg_d0;//hs_reg一个时钟的延迟
              //所有以_d0、d1、d2等为后缀的均为某个寄存器的延迟
reg vs_reg_d0;//vs_reg一个时钟的延迟
reg[11:0] h_cnt;//用于行的计数器
reg[11:0] v_cnt;//用于场（帧）的计数器
reg[11:0] active_x;//有效图像的的坐标x
reg[11:0] active_y;//有效图像的坐标y
reg[7:0] rgb_r_reg;//像素数据r分量
reg[7:0] rgb_g_reg;//像素数据g分量
reg[7:0] rgb_b_reg;//像素数据b分量
reg h_active;//行图像有效
reg v_active;//场图像有效
wire video_active;//一帧内图像的有效区域h_active & v_active
reg video_active_d0;
assign hs = hs_reg_d0;
assign vs = vs_reg_d0;
assign video_active = h_active & v_active;
assign de = video_active_d0;
assign rgb_r = rgb_r_reg;
assign rgb_g = rgb_g_reg;
assign rgb_b = rgb_b_reg;



always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		begin
			hs_reg_d0 <= 1'b0;
			vs_reg_d0 <= 1'b0;
			video_active_d0 <= 1'b0;
		end
	else
		begin // 这个地方左侧的寄存器是hs，vs，de的输出，hs_reg和vs_reg有关系
			hs_reg_d0 <= hs_reg;
			vs_reg_d0 <= vs_reg;
			video_active_d0 <= video_active;
		end
end

// 行计数，每次记一行的时钟个数，也就是一行的第几个时钟
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		h_cnt <= 12'd0;
	else if(h_cnt == H_TOTAL - 1)//行计数器到最大值清零
		h_cnt <= 12'd0;
	else
		h_cnt <= h_cnt + 12'd1;
end

// x坐标，像素坐标，当前肩+同步+后肩结束时，输出有效像素，x用来计数有效的图像数据，或者说是x的坐标
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		active_x <= 12'd0;
	else if(h_cnt >= H_FP + H_SYNC + H_BP - 1)//计算图像的x坐标
		active_x <= h_cnt - (H_FP[11:0] + H_SYNC[11:0] + H_BP[11:0] - 12'd1);
	else
		active_x <= active_x;
end

// 场计数，或者说是行数计数，用来计数多少行，每当一行的前肩开始时就进行计数，到达最大进行清零
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		v_cnt <= 12'd0;
	else if(h_cnt == H_FP  - 1)//在行数计算器为H_FP - 1的时候场计数器+1或清零
		if(v_cnt == V_TOTAL - 1)//场计数器到最大值了，清零
			v_cnt <= 12'd0;
		else
			v_cnt <= v_cnt + 12'd1;//没到最大值，+1
	else
		v_cnt <= v_cnt;
end

// 行同步信号的输出，从前肩开始有效，到达设定的值时结束
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		hs_reg <= 1'b0;
	else if(h_cnt == H_FP - 1)//行同步开始了...
		hs_reg <= 1'b1;
	else if(h_cnt == H_FP + H_SYNC - 1)//行同步这时候要结束了
		hs_reg <= 1'b0;
	else
		hs_reg <= hs_reg;
end

// 行数据有效信号，在一行前肩+同步+后肩内为低，图像数据有效时为高
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		h_active <= 1'b0;
	else if(h_cnt == H_FP + H_SYNC + H_BP - 1)
		h_active <= 1'b1;
	else if(h_cnt == H_TOTAL - 1)
		h_active <= 1'b0;
	else
		h_active <= h_active;
end

// 场同步信号，和行同步信号类似，从前肩开始有效，到达设定的值时结束
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		vs_reg <= 1'd0;
	else if((v_cnt == V_FP - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))
		vs_reg <= 1'b1;
	else if((v_cnt == V_FP + V_SYNC - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))
		vs_reg <= 1'b0;	
	else
		vs_reg <= vs_reg;
end

// 场数据有效信号，在前肩+同步+后肩内为低，图像数据有效时为高，h_active和v_active共同用来指示数据是否有效，作为数据使能信号DE
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		v_active <= 1'd0;
	else if((v_cnt == V_FP + V_SYNC + V_BP - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))
		v_active <= 1'b1;
	else if((v_cnt == V_TOTAL - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))
		v_active <= 1'b0;		
	else
		v_active <= v_active;
end

// 根据行坐标输出特定的像素值
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
	if(rst)
		begin
			rgb_r_reg <= 8'h00;
			rgb_g_reg <= 8'h00;
			rgb_b_reg <= 8'h00;
		end
	else if(video_active)
		if(active_x == 12'd0)
			begin
				rgb_r_reg <= WHITE_R;
				rgb_g_reg <= WHITE_G;
				rgb_b_reg <= WHITE_B;
			end
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 1)
			begin
				rgb_r_reg <= YELLOW_R;
				rgb_g_reg <= YELLOW_G;
				rgb_b_reg <= YELLOW_B;
			end			
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 2)
			begin
				rgb_r_reg <= CYAN_R;
				rgb_g_reg <= CYAN_G;
				rgb_b_reg <= CYAN_B;
			end
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 3)
			begin
				rgb_r_reg <= GREEN_R;
				rgb_g_reg <= GREEN_G;
				rgb_b_reg <= GREEN_B;
			end
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 4)
			begin
				rgb_r_reg <= MAGENTA_R;
				rgb_g_reg <= MAGENTA_G;
				rgb_b_reg <= MAGENTA_B;
			end
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 5)
			begin
				rgb_r_reg <= RED_R;
				rgb_g_reg <= RED_G;
				rgb_b_reg <= RED_B;
			end
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 6)
			begin
				rgb_r_reg <= BLUE_R;
				rgb_g_reg <= BLUE_G;
				rgb_b_reg <= BLUE_B;
			end	
		else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 7)
			begin
				rgb_r_reg <= BLACK_R;
				rgb_g_reg <= BLACK_G;
				rgb_b_reg <= BLACK_B;
			end
		else
			begin
				rgb_r_reg <= rgb_r_reg;
				rgb_g_reg <= rgb_g_reg;
				rgb_b_reg <= rgb_b_reg;
			end			
	else
		begin
			rgb_r_reg <= 8'h00;
			rgb_g_reg <= 8'h00;
			rgb_b_reg <= 8'h00;
		end
end

endmodule

配置数据查找表模块（lut_adv7511）

这个模块就是根据输入的下标输出设定好的值。


module lut_adv7511(
	input[9:0]             lut_index, // Look-up table index address
	output reg[31:0]       lut_data   // I2C device address register address register data
);

always@(*)
begin
	case(lut_index)
		//To be compatible with the 16bit register address, add 8'h00
		8'd0 	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h004100};   //16'h4110; 	
		8'd1    : 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00d6c0};			
		8'd2 	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h005512};			
		8'd3 	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h001500};  //input id = 0x0 = 0000 = 24 bit RGB 4:4:4 or YCbCr 4:4:4 (separate syncs)
		8'd4    : 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00d03c};
		8'd5    : 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00af04};	
		8'd6    : 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h004c04};	
		8'd7    : 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h004000};		
		8'd8 	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h009803};
		8'd9 	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h009ae0};	
		8'd10	: 	lut_data	<=	{8'h72,24'h009c30};	
		8'd11	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h009d61};	
		8'd12	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00a2a4};	
		8'd13	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00a3a4};	
		8'd14	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00e0d0};	
		8'd15	: 	lut_data	<= 	{8'h72,24'h00f900};
		
		default:lut_data <= {8'hff,16'hffff,8'hff};
	endcase
end

endmodule

I2C Master 寄存器配置模块（i2c_config）

这个模块使用了查找表模块，输出对应的下标，将查找的数据作为输入。然后这里还有一大堆使用I2C读写的代码，以后再看。

module i2c_config(
	input              rst,
	input              clk,
	input[15:0]        clk_div_cnt,
	input              i2c_addr_2byte,
	output reg[9:0]    lut_index,
	input[7:0]         lut_dev_addr,
	input[15:0]        lut_reg_addr,
	input[7:0]         lut_reg_data,
	output reg         error,
	output             done,
	inout              i2c_scl,
	inout              i2c_sda
);

TODO

  1. 分析I2C读写代码
  2. 了解视频时序
  3. 查看编码芯片数据手册

总结

本实验通过使用I2C配置编码芯片，构建模拟图像输出视频时序模块，完成了使用HDMI输出模拟图像（彩条）的功能。通过本次实验，了解了HDMI输出、视频时序、I2C读写的一些知识点。HDMI输出的是差分信号，芯片输出是可能需要编码芯片进行编码，不能够直接输出。视频时序中有前肩、后肩、同步等术语，行场信号是一个重要的知识点，要熟悉行场信号的构造。I2C是一个常用的配置接口，实验中的编码芯片由I2C进行配置，HDMI接口上也有一个。

参考

  1. 8k,4k,2k视频时序参数分享
  2. HDMI中的视频时序分析
  3. 基于FPGA的视频时序生成

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如果一项选择被分解为两个连续的选择&#xff0c;则原来的信息量H应该等于分解后的各个信息量H的加权和 DSP概念 DSP既是数字信号处理&#xff08;Digital Signal Processings&#xff09;的缩写也是数字信号处理器&#xff08;Digital Signal Processor&#xff09;的缩写。…
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Lesson4-3:OpenCV图像特征提取与描述---SIFT/SURF算法

Lesson4-3:OpenCV图像特征提取与描述---SIFT/SURF算法

学习目标 理解 S I F T / S U R F SIFT/SURF SIFT/SURF算法的原理&#xff0c;能够使用 S I F T / S U R F SIFT/SURF SIFT/SURF进行关键点的检测 SIFT/SURF算法 1.1 SIFT原理 前面两节我们介绍了 H a r r i s Harris Harris和 S h i − T o m a s i Shi-Tomasi Shi−Tomasi…
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城市白模三维重建

城市白模三维重建

收费工具&#xff0c;学生党勿扰&#xff0c;闹眼子当勿扰 收费金额&#xff1a;2000元&#xff0c;不能开发票 1 概述 几个月前&#xff0c;一家小公司找我帮忙给他们开发一个程序&#xff0c;可以将一个城市进行白模的三维重建。 报酬大约5K。经过不懈的努力&#xff0c;终于…
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