正点原子开拓者FPGA开发板资料连载第四十一章 SD卡图片显示实验

1）实验平台：正点原子开拓者FPGA 开发板
2）摘自《开拓者FPGA开发指南》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-13912-1-1.html


第四十一章 SD卡图片显示实验（LCD显示）
我们在“SD卡图片显示实验（VGA显示）”中使用FPGA开发板实现从SD卡中读取两张图片，
并通过VGA接口在显示器上循环切换显示两张图片的功能。本章我们将学习如何将SD卡中存储
的图片循环切换显示在RGB TFT-LCD液晶屏上。
本章包括以下几个部分：
41.1 SD卡-LCD图片显示简介
41.2 实验任务
41.3 硬件设计
41.4 程序设计
41.5 下载验证
SD卡-LCD图片显示简介
我们在“SD卡图片显示实验（VGA显示）”中对SD卡中的图片通过VGA显示的方法作了详细
的介绍，本次实验与之类似，只是显示设备不同，因此这部分内容大家可以参考“SD卡图片显
示实验（VGA显示）”。
实验任务
本节实验任务是使用FPGA开发板循环读取SD卡中存储的两张图片（bin格式图片，分辨率
为800*480），然后将图片存储在SDRAM中并通过RGB TFTLCD接口在ATK-7’RGBLCD液晶屏上循
环切换显示。
硬件设计
SD卡接口部分的硬件设计请参考“SD卡读写测试实验”中的硬件设计部分。
由于SDRAM、SD卡接口和LCD接口的引脚数目较多且在前面相应的章节中已经给出它们的管
脚列表，这里不再列出管脚分配。
程序设计
图 41.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。PLL时钟模块为其它各模块提供驱动时
钟；SD卡读取图片控制模块控制SD卡控制器的读接口；SD卡控制器从SD卡中读出图像数据，并
将读出的数据写入SDRAM控制器；最后LCD驱动模块通过SDRAM控制器读取SDRAM中存储的图片数
据并通过RGB TFT-LCD接口显示在LCD液晶屏上。


图 41.4.1 SD卡图片显示实验（LCD显示）系统框图
顶层模块的原理图如下图所示：


图 41.4.2 顶层模块原理图
FPGA顶层模块（top_sd_photo_lcd）例化了以下五个模块：PLL时钟模块（pll_clk）、SD
卡读取图片控制模块（sd_read_photo）、SD卡控制器模块（sd_ctrl_top）、SDRAM控制器模
块（sdram_top）和LCD驱动模块（lcd_driver）。
顶层模块（top_sd_photo_vga）：顶层模块主要完成对其余各模块的例化，实现各模块之
间的数据交互。需要注意的是，系统初始化完成是在SD卡以及SDRAM都初始化完成后才开始拉
高的，该信号控制着SD卡读取图片控制模块的复位信号，因此SD卡读取图片控制模块是在系统
初始化完成后才工作的，防止因SD卡或者SDRAM初始化未完成导致数据错误。
PLL时钟模块（pll_clk）：PLL时钟模块通过调用锁相环（PLL）IP核实现，总共输出五个
时钟，频率分别为100Mhz、100Mhz（相位偏移-75度）、50Mhz、50Mhz（相位偏移180度）和33.3Mhz。
两个100Mhz的时钟用于为SDRAM控制器模块提供驱动时钟；两个50Mhz的时钟用于为SD卡控制器
模块提供驱动时钟，其中50mhz为SD卡读取图片控制模块提供驱动时钟；33.3Mhz用于为LCD驱
动模块提供驱动时钟。
SD卡读取图片控制模块（sd_read_photo）：SD卡读取图片控制模块通过控制SD卡控制器
的读接口，从SD卡中读取图像数据，并在读完一张图片后延时一段时间，再去读取另一张图片
数据，实现两张图片的循环切换读取。
SD卡控制器模块（sd_ctrl_top）：SD卡控制器模块负责驱动SD卡，该模块将SD卡的SPI读
写操作封装成方便用户使用的接口。有关该模块的详细介绍请大家参考“SD卡读写测试实验”
章节。
SDRAM读写控制模块（sdram_top）：SDRAM读写控制器模块负责驱动SDRAM片外存储器，缓
存图像传感器输出的图像数据。该模块将SDRAM复杂的读写操作封装成类似FIFO的用户接口，
非常方便用户的使用。
LCD驱动模块（lcd_driver）：LCD驱动模输出数据请求信号用于读取SDRAM中的图片数据，
并将图片通过RGB TFT-LCD接口显示在液晶屏上。有关该模块的详细介绍请大家参考“RGB TFT
LCD彩条显示实验”。
SD卡读取图片控制模块的代码如下：
1 module sd_read_photo(
2 input clk , //时钟信号
3 input rst_n , //复位信号,低电平有效
4
5 input rd_busy , //SD卡读忙信号
6 output reg rd_start_en , //开始写SD卡数据信号
7 output reg [31:0] rd_sec_addr //读数据扇区地址
8 );
9
10 //parameter define
11 parameter PHOTO_SECtiON_ADDR0 = 32'd8256; //第一张图片扇区起始地址
12 parameter PHOTO_SECTION_ADDR1 = 32'd9792; //第二张图片扇区起始地址
13 //800*480/256 = 1500
14 parameter RD_SECTION_NUM = 11'd1500; //单张图片总共读出的次数
15
16 //reg define
17 reg [1:0] rd_flow_cnt ; //读数据流程控制计数器
18 reg [10:0] rd_sec_cnt ; //读扇区次数计数器
19 reg rd_addr_sw ; //读两张图片切换
20 reg [25:0] delay_cnt ; //延时切换图片计数器
21
22 reg rd_busy_d0 ; //读忙信号打拍，用来采下降沿
23 reg rd_busy_d1 ;
24
25 //wire define
26 wire neg_rd_busy ; //SD卡读忙信号下降沿
27
28 //*****************************************************
29 //** main code
30 //*****************************************************
31
32 assign neg_rd_busy = rd_busy_d1 & (~rd_busy_d0);
33
34 //对rd_busy信号进行延时打拍,用于采rd_busy信号的下降沿
35 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
36 if(rst_n == 1'b0) begin
37 rd_busy_d0 <= 1'b0;
38 rd_busy_d1 <= 1'b0;
39 end
40 else begin
41 rd_busy_d0 <= rd_busy;
42 rd_busy_d1 <= rd_busy_d0;
43 end
44 end
45
46 //循环读取SD卡中的两张图片（读完之后延时1s再读下一个）
47 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
48 if(!rst_n) begin
49 rd_flow_cnt <= 2'd0;
50 rd_addr_sw <= 1'b0;
51 rd_sec_cnt <= 11'd0;
52 rd_start_en <= 1'b0;
53 rd_sec_addr <= 32'd0;
54 end
55 else begin
56 rd_start_en <= 1'b0;
57 case(rd_flow_cnt)
58 2'd0 : begin
59 //开始读取SD卡数据
60 rd_flow_cnt <= rd_flow_cnt + 2'd1;
61 rd_start_en <= 1'b1;
62 rd_addr_sw <= ~rd_addr_sw; //读数据地址切换
63 if(rd_addr_sw == 1'b0)
64 rd_sec_addr <= PHOTO_SECTION_ADDR0;
65 else
66 rd_sec_addr <= PHOTO_SECTION_ADDR1;
67 end
68 2'd1 : begin
69 //读忙信号的下降沿代表读完一个扇区,开始读取下一扇区地址数据
70 if(neg_rd_busy) begin
71 rd_sec_cnt <= rd_sec_cnt + 11'd1;
72 rd_sec_addr <= rd_sec_addr + 32'd1;
73 //单张图片读完
74 if(rd_sec_cnt == RD_SECTION_NUM - 11'b1) begin
75 rd_sec_cnt <= 11'd0;
76 rd_flow_cnt <= rd_flow_cnt + 2'd1;
77 end
78 else
79 rd_start_en <= 1'b1;
80 end
81 end
82 2'd2 : begin
83 delay_cnt <= delay_cnt + 26'd1; //单张图片读完后延时1秒
84 if(delay_cnt == 26'd50_000_000 - 26'd1) begin //50_000_000*20ns = 1s
85 delay_cnt <= 26'd0;
86 rd_flow_cnt <= 2'd0;
87 end
88 end
89 default : ;
90 endcase
91 end
92 end
93
94 endmodule
相比于SD卡的VGA图片显示的sd_read_photo模块，SD卡的LCD图片显示的sd_read_photo模
块仅仅是修改了第11行至第14行定义的三个参数值。三个参数分别为PHOTO_SECTION_ADDR0（第
一张图片扇区起始地址）、PHOTO_SECTION_ADDR1（第二张图片扇区起始地址）和RD_SECTION_NUM
（单张图片总共读出的次数）。其中PHOTO_SECTION_ADDR0和PHOTO_SECTION_ADDR1是由WinHex
软件查看得到的两张图片的扇区起始地址，具体查看的方法我们在下载验证部分再详细讲解。
RD_SECTION_NUM是读取单张图片总共需要读取的次数，即扇区数。单张图片的分辨率为800*480，
位宽为16位，读取一个扇区的字节数为512个字节，共256个16bit，所以单张图片需要读取的
扇区数为800*480/256=1500。
下载验证
首先我们打开SD卡图片显示实验（LCD显示）工程，在工程所在的路径下打开
top_sd_photo_lcd/par文件夹，在里面找到“top_sd_photo_lcd.qpf”并双击打开。注意工程
所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。工程
打开后如图 41.5.1所示：


图 41.5.1 SD卡图片显示实验（LCD显示）工程
在打开下载界面之前，我们还需要先做一些准备工作，也就是向SD卡中导入bin格式的图
片。首先来介绍一下如何利用工具“Img2Lcd”将图片转成bin文件，该工具位于开发板所随附
的资料“6_软件资料/1_软件/Img2Lcd”目录下找到“Img2Lcd.exe”并双击打开，软件打开后
界面如图 41.5.2所示。
在菜单栏中点击“打开”，然后在弹出的界面中选择一幅分辨率为800*480的jpg格式图片。
图片加载进来之后，在工具界面左侧设置输出数据类型为“二进制(*.bin)”，输出灰度为“16
位真彩色”，最大宽度和高度分别为“800”和“480”，选中高位在前（MSB First）。设置
完成后在菜单栏中点击“保存”，并在弹出的界面中选择bin文件的保存路径并输入文件名。


图 41.5.2 Img2Lcd工具界面
到这里我们已经成功地将第一张图片转成了bin文件，因为我们实现的功能是两张图片循
环切换显示，因此需要通过上面的方法再生成一个bin文件。此时，两张bin格式的图片文件制
作完成。
SD卡在经过多次存放数据与删除数据之后，存入的文件有可能不是按照连续的扇区地址存
储的，为了避免图片显示错误，我们将bin文件导入SD卡之前，先把SD卡格式化，格式化的设
置如图 41.5.3所示，然后点击开始按钮完成格式化。


图 41.5.3 SD卡格式化界面
接下来我们将生成的两个bin文件拷贝到SD卡中，拷贝完成后如下图所示：


图 41.5.4 SD卡bin文件拷贝完成
文件拷贝完成后，接下来我们使用WinHex工具软件查看这两个文件的扇区起始地址，该工
具位于开发板所随附的资料中“6_软件资料/1_软件/WinHex”目录下，双击“WinHex.exe”或
者“WinHex64.exe”打开软件。软件打开后，在菜单栏中点击“工具”，然后点击“打开磁盘”，
如下图所示。


图 41.5.5 WinHex打开界面


图 41.5.6 WinHex磁盘打开界面
在“物理驱动器”下，我们看到箭头2所指的地方有RM2、SD/MMC（7.5GB，USB）的字样，
可知该物理驱动器对应的是SD卡，标号为RM2，我们找到标号RM2在逻辑驱动器中的位置，即箭
头1所指的地方，选中后点击“确定”按钮即可查看文件的起始扇区地址，打开后的界面如下图所示：


图 41.5.7 WinHex查看扇区起始地址界面
由 上图可知，两张 bin 格式图片的起始扇区地址分别为 8256 和 9792 ， 这和我们
sd_read_photo 模 块 定 义 的 PHOTO_SECTION_ADDR0 = 32'd8256 ， PHOTO_SECTION_ADDR1 =
32'd9792是一致的。如果查看的值不是上图中的值，需要将代码中定义的这两个参数值改成
WinHex查看的扇区地址，然后重新编译工程。
接下来我们将SD卡适配器（用于插入MicroSD卡）或者SD卡插入开发板的SD卡插槽，注意
带有金属引脚的一面朝上；然后用FPC排线将ATK-7’RGBLCD模块与开发板连接；接下来将下载
器一端连接电脑，另一端与开发板上对应端口连接，最后连接电源线并打开电源开关。
接下来我们下载程序，验证SD卡的LCD图片显示功能。工程打开后通过点击工具栏中的
“Programmer” 图 标 打 开 下 载 界 面 ， 通 过 “Add File” 按钮选择
top_sd_photo_lcd/par/output_files 目录下的“top_sd_photo_lcd.sof”文件。开发板电源
打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup”，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为
“USB-Blaster[USB-0]”。然后点击“Start”将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板
中，如图 41.5.所示：


图 41.5.8 程序下载完成界面
程序下载完成后，此时液晶屏上循环切换显示SD卡中的两张图片，说明SD卡图片显示实验
（LCD显示）下载验证成功。如图 41.5.和图 41.5.8所示：


图 41.5.9 LCD液晶屏显示第一张图片


图 41.5.8 LCD液晶屏显示第二张图片