基于FPGA的VGA協議實現

文章目錄

  • 一、VGA介紹
    • 1.1 VGA原理
    • 1.2VGA電路
  • 二、配置
  • 三、實現
    • 3.1 字符顯示
    • 3.2圖片顯示
  • 四、代碼
    • 4.1.vga驅動模塊
    • 4.2數據模塊
    • 4.3按鍵消抖模塊
    • 4.4頂層模塊
    • 4.5TCL引腳綁定
  • 參考

一、VGA介紹

1.1 VGA原理

VGA接口
在這里插入圖片描述
最主要的幾根線：
在這里插入圖片描述
VGA其實就是相當于一塊芯片，跟單片機驅動IC一樣，滿足一定的時序，便能驅動起來。VGA的掃描其實很簡單，大致軌跡如下所示：
在這里插入圖片描述
每掃描完一行，從新開始下一行;每掃完一場，重新開始下一場。
以下是行掃描，場掃描HS，VS時序圖
在這里插入圖片描述
VS時序如下所示：
在這里插入圖片描述
可見時序的循環，可被劃分為a，b，c，d4個時期。這四個時期定義如下：

A~B：場消隱期 即同步，相當于還原掃描坐標吧

B~C：場消隱后肩 相當于準備開始掃描吧

C~D：場顯示期 掃描中，數據有效區域

D~E：場消隱前肩 完成掃描，相當于準備同步

HS時序深入分析
在這里插入圖片描述
可見時序的循環，可被劃分為a，b，c，d4個時期。這四個時期定義如下：

A~B：行消隱期 即同步，相當于還原掃描坐標吧

B~C：行消隱后肩 相當于準備開始掃描吧

C~D：行顯示期 掃描中，數據有效區域

D~E：行消隱前肩 完成掃描，相當于準備同步

綜上描述，我們只要知道每個時期的時間，便可以表示出VGA的時序。而FPGA的工作是由固定頻率的時鐘觸發的，因此某固定時間可以用n次觸發來表示。因此我們很容易就想到了FPGA常用的計數方法：比如說行掃描，我們計數0~H_total-1。用另一個進程將其劃分為4個時期，安標注分配。其實這相當于狀態機。

1.2VGA電路

VGA接口：R,G,B三通道，直接賦給數字信號，RGB，最多產生8種色彩。這是最基本的。電路如下所示：
在這里插入圖片描述

二、配置

打開Quartus,選擇IP核
在這里插入圖片描述
命名之后，將基礎時鐘改為50M
在這里插入圖片描述
點擊next后，取消該勾選
在這里插入圖片描述
默認next,直到該界面，c0默認輸出50M即可,c1分頻到25M,如需其他時鐘頻率可以自己進行設置在這里插入圖片描述
勾選，finish
在這里插入圖片描述

三、實現

3.1 字符顯示

字模軟件
百度網盤:
https://pan.baidu.com/s/1542q14FRzCawo8WNp8J-Kg
提取碼: jdzg
在子模提取工具里面輸入需要顯示的字符并設置字符大小為64*64
在這里插入圖片描述
然后點擊文件-另存為，把圖片保存為BMP圖片，再點擊文件-打開，把保存的BMP圖片打開得到整體的字符。
在這里插入圖片描述
參數設置
在這里插入圖片描述
保存為.txt格式
在這里插入圖片描述
在這里插入圖片描述
將得到的字模替換。

3.2圖片顯示

想要顯示的圖片，但是圖片的大小超過了芯片的內存，無法把圖片保存進去，故采用一張100*100的圖片進行顯示。
在這里插入圖片描述
使用工具把圖片轉為HEX文件

工具鏈接: https://pan.baidu.com/s/1o8ii9ei密碼:62uv
在這里插入圖片描述
圖片數據太多需要使用ROM來存儲數據
打開quartus，找到ROM
在這里插入圖片描述
取消勾選下列選項
在這里插入圖片描述
剛才生成的,hex
在這里插入圖片描述
finish
在這里插入圖片描述

四、代碼

4.1.vga驅動模塊

module vga_dirve (input			wire						clk,            //系統時鐘input			wire						rst_n,          //復位input			wire		[ 15:0 ]		rgb_data,       //16位RGB對應值output			wire							vga_clk,    //vga時鐘 25Moutput			reg							h_sync,     //行同步信號output			reg							v_sync,     //場同步信號output			reg		[ 11:0 ]				addr_h, //行地址output			reg		[ 11:0 ]				addr_v,  //列地址output			wire		[ 4:0 ]				rgb_r,  //紅基色output			wire		[ 5:0 ]				rgb_g,  //綠基色output			wire		[ 4:0 ]				rgb_b  //藍基色
);// 640 * 480 60HZ
localparam	 H_FRONT = 16; // 行同步前沿信號周期長
localparam	 H_SYNC  = 96; // 行同步信號周期長
localparam	 H_BLACK = 48; // 行同步后沿信號周期長
localparam	 H_ACT   = 640; // 行顯示周期長
localparam	 V_FRONT = 11; // 場同步前沿信號周期長
localparam	 V_SYNC  = 2; // 場同步信號周期長
localparam	 V_BLACK = 31; // 場同步后沿信號周期長
localparam	 V_ACT   = 480; // 場顯示周期長// 800 * 600 72HZ
// localparam	 H_FRONT = 40; // 行同步前沿信號周期長
// localparam	 H_SYNC  = 120; // 行同步信號周期長
// localparam	 H_BLACK = 88; // 行同步后沿信號周期長
// localparam	 H_ACT   = 800; // 行顯示周期長
// localparam	 V_FRONT = 37; // 場同步前沿信號周期長
// localparam	 V_SYNC  = 6; // 場同步信號周期長
// localparam	 V_BLACK = 23; // 場同步后沿信號周期長
// localparam	 V_ACT   = 600; // 場顯示周期長localparam	H_TOTAL = H_FRONT + H_SYNC + H_BLACK + H_ACT; // 行周期
localparam	V_TOTAL = V_FRONT + V_SYNC + V_BLACK + V_ACT; // 列周期reg			[ 11:0 ]			cnt_h			; // 行計數器
reg			[ 11:0 ]			cnt_v			; // 場計數器
reg			[ 15:0 ]			rgb			; // 對應顯示顏色值// 對應計數器開始、結束、計數信號
wire							flag_enable_cnt_h			;
wire							flag_clear_cnt_h			;
wire							flag_enable_cnt_v			;
wire							flag_clear_cnt_v			;
wire							flag_add_cnt_v  			;
wire							valid_area      			;// 25M時鐘 行周期*場周期*刷新率 = 800 * 525* 60
wire							clk_25			;
// 50M時鐘 1040 * 666 * 72
wire							clk_50			;
//PLL
pll	pll_inst (.areset ( ~rst_n ),.inclk0 ( clk ),.c0 ( clk_50 ), //50M.c1 ( clk_25 ), //25M);
//根據不同分配率選擇不同頻率時鐘
assign vga_clk = clk_25;// 行計數
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) begincnt_h <= 0;endelse if ( flag_enable_cnt_h ) beginif ( flag_clear_cnt_h ) begincnt_h <= 0;endelse begincnt_h <= cnt_h + 1;endendelse begincnt_h <= 0;end
end
assign flag_enable_cnt_h = 1;
assign flag_clear_cnt_h  = cnt_h == H_TOTAL - 1;// 行同步信號
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginh_sync <= 0;endelse if ( cnt_h == H_SYNC - 1 ) begin // 同步周期時為1h_sync <= 1;endelse if ( flag_clear_cnt_h ) begin // 其余為0h_sync <= 0;endelse beginh_sync <= h_sync;end
end// 場計數
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) begincnt_v <= 0;endelse if ( flag_enable_cnt_v ) beginif ( flag_clear_cnt_v ) begincnt_v <= 0;endelse if ( flag_add_cnt_v ) begincnt_v <= cnt_v + 1;endelse begincnt_v <= cnt_v;endendelse begincnt_v <= 0;end
end
assign flag_enable_cnt_v = flag_enable_cnt_h;
assign flag_clear_cnt_v  = cnt_v == V_TOTAL - 1;
assign flag_add_cnt_v    = flag_clear_cnt_h;// 場同步信號
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginv_sync <= 0;endelse if ( cnt_v == V_SYNC - 1 ) beginv_sync <= 1;endelse if ( flag_clear_cnt_v ) beginv_sync <= 0;endelse beginv_sync <= v_sync;end
end// 對應有效區域行地址 1-640
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginaddr_h <= 0;endelse if ( valid_area ) beginaddr_h <= cnt_h - H_SYNC - H_BLACK + 1;endelse beginaddr_h <= 0;end
end
// 對應有效區域列地址 1-480
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginaddr_v <= 0;endelse if ( valid_area ) beginaddr_v <= cnt_v -V_SYNC - V_BLACK + 1;endelse beginaddr_v <= 0;end
end
// 有效顯示區域
assign valid_area = cnt_h >= H_SYNC + H_BLACK && cnt_h <= H_SYNC + H_BLACK + H_ACT && cnt_v >= V_SYNC + V_BLACK && cnt_v <= V_SYNC + V_BLACK + V_ACT;// 顯示顏色
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginrgb <= 16'h0;endelse if ( valid_area ) beginrgb <= rgb_data;endelse beginrgb <= 16'b0;end
end
assign rgb_r = rgb[ 15:11 ];
assign rgb_g = rgb[ 10:5 ];
assign rgb_b = rgb[ 4:0 ];endmodule // vga_dirve

4.2數據模塊

module data_drive (input			wire						vga_clk,input			wire						rst_n,input			wire		[ 11:0 ]		addr_h,input			wire		[ 11:0 ]		addr_v,input			wire		[ 2:0 ]		 key,output			reg		[ 15:0 ]				rgb_data);localparam	red    = 16'd63488;
localparam	orange = 16'd64384;
localparam	yellow = 16'd65472;
localparam	green  = 16'd1024;
localparam	blue   = 16'd31;
localparam	indigo = 16'd18448;
localparam	purple = 16'd32784;
localparam	white  = 16'd65503;
localparam	black  = 16'd0;
reg [ 383:0 ] char_line[ 89:0 ];localparam	states_1 = 1; // 彩條
localparam	states_2 = 2; // 字符
localparam	states_3 = 3; // 圖片parameter	height = 78; // 圖片高度
parameter	width  = 128; // 圖片寬度
reg			[ 1:0 ]			states_current			; // 當前狀態
reg			[ 1:0 ]			states_next			    ; // 下個狀態
reg			[ 13:0 ]		rom_address				; // ROM地址
wire			[ 15:0 ]		rom_data				; // 圖片數據wire							flag_enable_out1			; // 文字有效區域
wire							flag_enable_out2			; // 圖片有效區域
wire							flag_clear_rom_address		; // 地址清零
wire							flag_begin_h			    ; // 圖片顯示行
wire							flag_begin_v			    ; // 圖片顯示列//狀態轉移
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginstates_current <= states_1;endelse beginstates_current <= states_next;end
end//狀態判斷
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginstates_next <= states_1;endelse if ( key[ 0 ] ) beginstates_next <= states_1;endelse if ( key[ 1 ] ) beginstates_next <= states_2;endelse if ( key[ 2 ] ) beginstates_next <= states_3;endelse beginstates_next <= states_next;end
end//狀態輸出
always @( * ) begincase ( states_current )states_1 : beginif ( addr_h == 0 ) beginrgb_data = black;endelse if ( addr_h >0 && addr_h <81 ) beginrgb_data = red;endelse if ( addr_h >80 && addr_h <161 ) beginrgb_data = orange;endelse if ( addr_h >160 && addr_h <241 ) beginrgb_data = yellow;endelse if ( addr_h >240 && addr_h <321 ) beginrgb_data = green;endelse if ( addr_h >320 && addr_h <401 ) beginrgb_data = blue;endelse if ( addr_h >400 && addr_h <481 ) beginrgb_data = indigo;endelse if ( addr_h >480 && addr_h <561 ) beginrgb_data = purple;endelse if ( addr_h >560 && addr_h <641 ) beginrgb_data = white;endelse beginrgb_data = black;endendstates_2 : beginif ( flag_enable_out1 ) beginrgb_data = char_line[ addr_v-208 ][ 532 - addr_h ]? white:black;endelse beginrgb_data = black;endendstates_3 : beginif ( flag_enable_out2 ) beginrgb_data = rom_data;endelse beginrgb_data = black;endenddefault: begincase ( addr_h )0 : rgb_data      = black;1 : rgb_data      = red;81 : rgb_data     = orange;161: rgb_data     = yellow;241: rgb_data     = green;321: rgb_data     = blue;401: rgb_data     = indigo;481: rgb_data     = purple;561: rgb_data     = white;default: rgb_data = rgb_data;endcaseendendcase
endassign flag_enable_out1 = states_current == states_2 && addr_h > 148 && addr_h < 533 && addr_v > 208  && addr_v < 273 ;
assign flag_begin_h     = addr_h > ( ( 640 - width ) / 2 ) && addr_h < ( ( 640 - width ) / 2 ) + width + 1;
assign flag_begin_v     = addr_v > ( ( 480 - height )/2 ) && addr_v <( ( 480 - height )/2 ) + height + 1;
assign flag_enable_out2 = states_current == states_3 && flag_begin_h && flag_begin_v;//ROM地址計數器
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginrom_address <= 0;endelse if ( flag_clear_rom_address ) begin //計數滿清零rom_address <= 0;endelse if ( flag_enable_out2 ) begin  //在有效區域內+1rom_address <= rom_address + 1;endelse begin  //無效區域保持rom_address <= rom_address;end
end
assign flag_clear_rom_address = rom_address == height * width - 1;//初始化顯示文字
always@( posedge vga_clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginchar_line[0]=  384'h000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[1]=  384'h000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[2]=  384'h000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[3]=  384'h000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[4]=  384'h000000000000000000000000000000000400000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[5]=  384'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000E0000000000000400000000;char_line[6]=  384'h000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[7]=  384'h00000000000004000F8000000100000E0000080000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[8]=  384'h00000000000000000000000000000000000000000000000003000E000F8000000180001F0C001C000000000000000000;char_line[9]=  384'h000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003FFFF00;char_line[10]= 384'h0F00000001FFFFFF0FFFFF00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[11]= 384'h0000000000000000000000000000000003FFFF001F00000001FFFFFF8FFFFF0000000000000000000000000000000000;char_line[12]= 384'h00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003C01E001E00000001E00F00;char_line[13]= 384'h0F001C000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[14]= 384'h000000000000000003C01C001E00000001E00F000F001C00000000000000000000000000000000000000000000000000;char_line[15]= 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.address ( rom_address ),
.clock ( vga_clk ),
.q ( rom_data )
);
endmodule // data_drive

4.3按鍵消抖模塊

module key_debounce(input 	wire	clk,input 	wire 	rst_n,input 	wire 	key,output 	reg 	flag,// 0抖動, 1抖動結束output 	reg	key_value//key抖動結束后的值
);parameter MAX_NUM = 20'd1_000_000;reg [19:0] delay_cnt;//1_000_000reg key_reg;//key上一次的值always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginkey_reg <= 1;delay_cnt <= 0;endelse beginkey_reg <= key;//當key為1 key 為0 表示按下抖動,開始計時if(key_reg  != key  ) begin delay_cnt <= MAX_NUM ;endelse beginif(delay_cnt > 0)delay_cnt <= delay_cnt -1;elsedelay_cnt <= 0;endend
end//當計時完成,獲取key的值
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginflag <= 0;key_value <= 1;endelse begin// 計時完成 處于穩定狀態,進行賦值if(delay_cnt == 1) beginflag <= 1;key_value <= key;endelse beginflag <= 0;key_value <= key_value;endend
endendmodule

4.4頂層模塊

module vga_top (input			wire						clk,input			wire						rst_n,input			wire		[ 2:0 ]		    key,output			wire						vga_clk,output			wire						h_sync,output			wire						v_sync,output			wire		[ 4:0 ]			rgb_r,output			wire		[ 5:0 ]			rgb_g,output			wire		[ 4:0 ]			rgb_b,output			reg		    [ 3:0 ]			led);reg			[ 27:0 ]			cnt			        ;
wire		[ 11:0 ]		    addr_h              ;
wire		[ 11:0 ]		    addr_v              ;
wire		[ 15:0 ]			rgb_data			;
wire		[ 2:0 ]			    key_flag			;
wire		[ 2:0 ]			    key_value			;//vga模塊
vga_dirve u_vga_dirve(
.clk      ( clk ),
.rst_n    ( rst_n ),
.rgb_data ( rgb_data ),
.vga_clk  ( vga_clk ),
.h_sync   ( h_sync ),
.v_sync   ( v_sync ),
.rgb_r    ( rgb_r ),
.rgb_g    ( rgb_g ),
.rgb_b    ( rgb_b ),
.addr_h   ( addr_h ),
.addr_v   ( addr_v )
);//數據模塊
data_drive u_data_drive(
.vga_clk ( vga_clk ),
.rst_n   ( rst_n ),
.addr_h  ( addr_h ),
.addr_v  ( addr_v ),
.key     ( {key_value[ 2 ] && key_flag[ 2 ], key_value[ 1 ] && key_flag[ 1 ], key_value[ 0 ] && key_flag[ 0 ] } ),
.rgb_data  ( rgb_data )
);//按鍵消抖
key_debounce u_key_debounce0(
.clk   ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.key   ( key[ 0 ] ),
.flag  ( key_flag[ 0 ] ),
.key_value  ( key_value[ 0 ] )
);key_debounce u_key_debounce1(
.clk   ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.key   ( key[ 1 ] ),
.flag  ( key_flag[ 1 ] ),
.key_value  ( key_value[ 1 ] )
);key_debounce u_key_debounce2(
.clk   ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.key   ( key[ 2 ] ),
.flag  ( key_flag[ 2 ] ),
.key_value  ( key_value[ 2 ] )
);// led
always @( posedge clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) begincnt <= 0;endelse if ( cnt == 50_000_000 - 1 ) begincnt <= 0;endelse begincnt <= cnt + 1;end
end
always @( posedge clk or negedge rst_n ) beginif ( !rst_n ) beginled <= 4'b0000;endelse if ( cnt == 50_000_000 -1 )beginled <= ~led;endelse beginled <= led;end
end
endmodule // vga_top

4.5TCL引腳綁定

package require ::quartus::projectset_location_assignment PIN_E1 -to clk
set_location_assignment PIN_E15 -to rst_n
set_location_assignment PIN_C16 -to h_sync
set_location_assignment PIN_D15 -to v_syncset_location_assignment PIN_E16 -to key[0]
set_location_assignment PIN_M16 -to key[1]
set_location_assignment PIN_M15 -to key[2]set_location_assignment PIN_G15 -to led[0]
set_location_assignment PIN_F16 -to led[1]
set_location_assignment PIN_F15 -to led[2]
set_location_assignment PIN_D16 -to led[3]set_location_assignment PIN_A14 -to rgb_b[4]
set_location_assignment PIN_B14 -to rgb_b[3]
set_location_assignment PIN_A15 -to rgb_b[2]
set_location_assignment PIN_B16 -to rgb_b[1]
set_location_assignment PIN_C15 -to rgb_b[0]set_location_assignment PIN_A11 -to rgb_g[5]
set_location_assignment PIN_B11 -to rgb_g[4]
set_location_assignment PIN_A12 -to rgb_g[3]
set_location_assignment PIN_B12 -to rgb_g[2]
set_location_assignment PIN_A13 -to rgb_g[1]
set_location_assignment PIN_B13 -to rgb_g[0]set_location_assignment PIN_C8 -to rgb_r[4]
set_location_assignment PIN_A9 -to rgb_r[3]
set_location_assignment PIN_B9 -to rgb_r[2]
set_location_assignment PIN_A10 -to rgb_r[1]
set_location_assignment PIN_B10 -to rgb_r[0]

參考

``

https://blog.csdn.net/weixin_51755670/article/details/118076488
https://blog.csdn.net/qq_45659777/article/details/124834294

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