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【正点原子FPGA连载】第十九章HDMI方块移动实验-领航者ZYNQ之FPGA开发指南

2020-9-26 16:55:15  162 正点原子FPGA
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1)实验平台:正点原子领航者ZYNQ开发板
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第十九章HDMI方块移动实验

在HDMI彩条显示实验中,我们成功地在显示器上显示出了静态的彩条图案。本章我们通过在屏幕上显示一个移动的小方块,来给大家演示如何使用HDMI接口显示动态图案。
本章包括以下几个部分:
1919.1HDMI简介
19.2实验任务
19.3硬件设计
19.4程序设计
19.5下载验证
19.1HDMI简介
我们在“HDMI彩条显示实验”中对HDMI视频传输标准作了详细的介绍,包括HDMI接口定义、行场同步时序、以及显示分辨率等。如果大家对这部分内容不是很熟悉的话,请参考“HDMI彩条显示实验”中的HDMI简介部分。
19.2实验任务
本章的实验任务是使用领航者开发板上的HDMI接口在显示器上显示一个不停移动的方块,要求方块移动到边界处时能够改变移动方向。显示分辨率为1280*720,刷新速率为60hz。
19.3硬件设计
HDMI接口部分的硬件设计原理及本实验中各端口信号的管脚分配与“HDMI彩条显示实验”完全相同,请参考“HDMI彩条显示实验”中的硬件设计部分。
19.4程序设计
图 19.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。其中,时钟生成IP核(clk_wiz_0)生成1280*720分辨率所需的像素时钟74.25MHz、以及TMDS编码驱动IP核所需的像素时钟的5倍频率即74.25 * 5 = 371.25MHz。RGB驱动模块(rgb_driver)负责产生RGB时序,并输出来自RGB显示模块(rgb_display)的RGB数据。RGB数据被送入TMDS编码驱动IP核(rgb2DVI_0)并最后输出到HDMI接口。

图 19.4.1 HDMI方块移动实验系统框图

在“HDMI彩条显示实验”中,我们利用RGB驱动模块输出的像素点的横坐标,在RGB显示模块中完成了彩条图案的绘制。而在本次实验中,为了完成方块的显示,需要同时使用像素点的横坐标和纵坐标来绘制方块所在的矩形区域,另外还需要知道矩形区域左上角的顶点坐标。由于RGB显示的图像在行场同步信号的同步下不停的刷新,因此只要连续改变方块左上角顶点的坐标,并在新的坐标点处重新绘制方块,即可实现方块移动的效果。
各模块端口及信号连接如图 19.4.2所示:

图 19.4.2 顶层模块原理图

图 19.4.2中的顶层模块(hdmi_block_move_top)、时钟分频IP核(clk_wiz_0)、TMDS编码驱动IP核(rgb2dvi_0)以及RGB驱动模块(rgb_display)均与“HDMI彩条显示实验”完全相同,只对RGB显示模块(RGB_display)作了修改。因此,这里我们重点讲解RGB显示模块,其他部分大家可以参考“HDMI彩条显示实验”。
RGB显示模块的代码如下:
  • 1 module rgb_display(
  • 2 input pixel_clk, //像素时钟
  • 3 input sys_rst_n, //复位信号
  • 4
  • 5 input [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
  • 6 input [10:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
  • 7 output reg [23:0] pixel_data //像素点数据
  • 8 );
  • 9
  • 10 //parameter define
  • 11 parameter H_DISP = 11'd1280; //分辨率--行
  • 12 parameter V_DISP = 11'd720; //分辨率--列
  • 13
  • 14 localparam SIDE_W = 11'd40; //屏幕边框宽度
  • 15 localparam BLOCK_W = 11'd40; //方块宽度
  • 16 localparam BLUE = 24'b00000000_00000000_11111111; //屏幕边框颜色 蓝色
  • 17 localparam WHITE = 24'b11111111_11111111_11111111; //背景颜色 白色
  • 18 localparam BLACK = 24'b00000000_00000000_00000000; //方块颜色 黑色
  • 19
  • 20 //reg define
  • 21 reg [10:0] block_x = SIDE_W ; //方块左上角横坐标
  • 22 reg [10:0] block_y = SIDE_W ; //方块左上角纵坐标
  • 23 reg [21:0] div_cnt; //时钟分频计数器
  • 24 reg h_direct; //方块水平移动方向,1:右移,0:左移
  • 25 reg v_direct; //方块竖直移动方向,1:向下,0:向上
  • 26
  • 27 //wire define
  • 28 wire move_en; //方块移动使能信号,频率为100hz
  • 29
  • 30 //*****************************************************
  • 31 //** main code
  • 32 //*****************************************************
  • 33 assign move_en = (div_cnt == 22'd734214) ? 1'b1 : 1'b0;
  • 34
  • 35 //通过对像素时钟计数,实现时钟分频
  • 36 always @(posedge pixel_clk ) begin
  • 37 if (!sys_rst_n)
  • 38 div_cnt <= 22'd0;
  • 39 else begin
  • 40 if(div_cnt < 22'd734214)
  • 41 div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
  • 42 else
  • 43 div_cnt <= 22'd0; //计数达10ms后清零
  • 44 end
  • 45 end
  • 46
  • 47 //当方块移动到边界时,改变移动方向
  • 48 always @(posedge pixel_clk ) begin
  • 49 if (!sys_rst_n) begin
  • 50 h_direct <= 1'b1; //方块初始水平向右移动
  • 51 v_direct <= 1'b1; //方块初始竖直向下移动
  • 52 end
  • 53 else begin
  • 54 if(block_x == SIDE_W - 1'b1) //到达左边界时,水平向右
  • 55 h_direct <= 1'b1;
  • 56 else //到达右边界时,水平向左
  • 57 if(block_x == H_DISP - SIDE_W - BLOCK_W)
  • 58 h_direct <= 1'b0;
  • 59 else
  • 60 h_direct <= h_direct;
  • 61
  • 62 if(block_y == SIDE_W - 1'b1) //到达上边界时,竖直向下
  • 63 v_direct <= 1'b1;
  • 64 else //到达下边界时,竖直向上
  • 65 if(block_y == V_DISP - SIDE_W - BLOCK_W)
  • 66 v_direct <= 1'b0;
  • 67 else
  • 68 v_direct <= v_direct;
  • 69 end
  • 70 end
  • 71
  • 72 //根据方块移动方向,改变其纵横坐标
  • 73 always @(posedge pixel_clk ) begin
  • 74 if (!sys_rst_n) begin
  • 75 block_x <= SIDE_W; //方块初始位置横坐标
  • 76 block_y <= SIDE_W; //方块初始位置纵坐标
  • 77 end
  • 78 else if(move_en) begin
  • 79 if(h_direct)
  • 80 block_x <= block_x + 1'b1; //方块向右移动
  • 81 else
  • 82 block_x <= block_x - 1'b1; //方块向左移动
  • 83
  • 84 if(v_direct)
  • 85 block_y <= block_y + 1'b1; //方块向下移动
  • 86 else
  • 87 block_y <= block_y - 1'b1; //方块向上移动
  • 88 end
  • 89 else begin
  • 90 block_x <= block_x;
  • 91 block_y <= block_y;
  • 92 end
  • 93 end
  • 94
  • 95 //给不同的区域绘制不同的颜色
  • 96 always @(posedge pixel_clk ) begin
  • 97 if (!sys_rst_n)
  • 98 pixel_data <= BLACK;
  • 99 else begin
  • 100 if( (pixel_xpos < SIDE_W) || (pixel_xpos >= H_DISP - SIDE_W)
  • 101 || (pixel_ypos < SIDE_W) || (pixel_ypos >= V_DISP - SIDE_W))
  • 102 pixel_data <= BLUE; //绘制屏幕边框为蓝色
  • 103 else
  • 104 if( (pixel_xpos >= block_x) && (pixel_xpos < block_x + BLOCK_W)
  • 105 && (pixel_ypos >= block_y) && (pixel_ypos < block_y + BLOCK_W))
  • 106 pixel_data <= BLACK; //绘制方块为黑色
  • 107 else
  • 108 pixel_data <= WHITE; //绘制背景为白色
  • 109 end
  • 110 end
  • 111
  • 112 endmodule

代码中14至18行声明了一系列的参数,方便大家修改边框尺寸、方块大小、以及各部分的颜色等。其中边框尺寸和方块宽度均以像素点为单位。当方块的宽度确定时,如果我们知道方块左上方顶点的坐标,就能轻而易举的画出整个方块区域。因此,我们将方块的移动简化为其左上角顶点的移动。
由于像素时钟相对于方块移动速度而言过快,我们通过计数器对时钟计数,得到一个频率为100hz的脉冲信号move_en,用它作为使能信号来控制方块的移动(33~45行)。方块的移动方向分为水平方向h_direct和竖直方向v_direct,由代码的47至70行可知,当方块移动到上下边框时,竖直移动方向改变;当方块移动到左右边框时,水平移动方向改变。代码72至93行根据方块的移动方向,在使能信号move_en到来时改变其左上角顶点的纵横坐标值。当move_en的频率为100hz时,方块每秒钟在水平和竖直方向上分别移动100个像素点的距离,也可以通过调整move_en的频率,来加快或减慢方块移动的速度。
代码第95至110行根据RGB驱动模块输出的纵横坐标判断当前像素点所在的区域,对不同区域中的像素点赋以不同的颜色值,从而实现边框、方块以及背景颜色的绘制。
19.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件。然后将HDMI电缆的一端与领航者开发板上HDMI插座相连接,另一端与显示器的HDMI接口相连接,如下图所示。

图 19.5.1领航者HDMI连接图

最后将下载器一端连电脑,另一端与开发板上的JTAG端口连接,连接电源线并打开电源开关
接下来我们下载比特流.bit文件,验证HDMI显示方块移动的功能。下载完成后观察显示器显示的图案如下图所示,图中的黑色方块能够不停的移动,且碰撞到蓝色边框时能改变移动方向,说明HDMI方块移动程序下载验证成功。

图 19.5.2 HDMI方块移动效果图



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