【正点原子FPGA连载】第十九章 VGA方块移动实验--摘自【正点原子】开拓者 FPGA 开发指南
本帖最后由 正点原子 于 2020-10-23 11:33 编辑1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板
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第十九章 VGA方块移动实验
在VGA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VGA接口显示动态图案。本章包括以下几个部分：1 1.1 VGA简介1.2 实验任务1.3 硬件设计1.4 程序设计1.5 下载验证
1.1 VGA简介我们在“VGA彩条显示实验”中对VGA视频传输标准作了详细的介绍，包括VGA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“VGA彩条显示实验”中的VGA简介部分。1.2 实验任务本章的实验任务是使用开拓者开发板上的VGA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640*480，刷新速率为60hz。1.3 硬件设计VGA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“VGA彩条显示实验”完全相同，请参考“VGA彩条显示实验”中的硬件设计部分。1.4 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，时钟分频模块负责产生像素时钟，VGA驱动模块产生行场同步信号及像素点的纵横坐标，VGA显示模块输出图像数据。
图 19.4.1 VGA方块移动实验系统框图在“VGA彩条显示实验”中，我们利用VGA驱动模块输出的像素点的横坐标，在VGA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VGA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（vga_blockmove）、时钟分频模块（vga_pll）以及VGA驱动模块（vga_driver）均与“VGA彩条显示实验”完全相同，只对VGA显示模块（vga_display）作了修改。因此，这里我们重点讲解VGA显示模块，其他部分大家可以参考“VGA彩条显示实验”。VGA显示模块的代码如下：1 modulevga_display(2 input vga_clk, //VGA驱动时钟3 input sys_rst_n, //复位信号4 5 input [ 9:0]pixel_xpos, //像素点横坐标6 input [ 9:0]pixel_ypos, //像素点纵坐标 7 outputreg pixel_data //像素点数据8 ); 9 10//parameterdefine 11parameterH_DISP = 10'd640; //分辨率——行12parameterV_DISP = 10'd480; //分辨率——列1314localparamSIDE_W=10'd40; //边框宽度15localparamBLOCK_W = 10'd40; //方块宽度16localparamBLUE =16'b00000_000000_11111; //边框颜色 蓝色17localparamWHITE =16'b11111_111111_11111; //背景颜色 白色18localparamBLACK =16'b00000_000000_00000; //方块颜色 黑色1920//reg define21reg [ 9:0] block_x; //方块左上角横坐标22reg [ 9:0] block_y; //方块左上角纵坐标23reg div_cnt; //时钟分频计数器24reg h_direct; //方块水平移动方向，1：右移，0：左移25reg v_direct; //方块竖直移动方向，1：向下，0：向上2627//wire define 28wiremove_en; //方块移动使能信号，频率为100hz2930//*****************************************************31//** main code32//*****************************************************33assignmove_en = (div_cnt== 22'd250000- 1'b1) ? 1'b1 : 1'b0;3435//通过对vga驱动时钟计数，实现时钟分频36always@(posedgevga_clk or negedgesys_rst_n) begin 37 if(!sys_rst_n)38 div_cnt <=22'd0;39 elsebegin40 if(div_cnt <22'd250000 -1'b1)41 div_cnt <= div_cnt +1'b1;42 else43 div_cnt <= 22'd0; //计数达10ms后清零44 end45end4647//当方块移动到边界时，改变移动方向48always@(posedgevga_clk or negedgesys_rst_n) begin 49 if(!sys_rst_n)begin50 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 end53 elsebegin54 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 else60 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 else68 v_direct <= v_direct;69 end70end7172//根据方块移动方向，改变其纵横坐标73always@(posedgevga_clk or negedgesys_rst_n) begin 74 if(!sys_rst_n)begin75 block_x <=22'd100; //方块初始位置横坐标76 block_y <=22'd100; //方块初始位置纵坐标77 end78 elseif(move_en) begin79 if(h_direct)80 block_x <= block_x +1'b1; //方块向右移动81 else82 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 else87 block_y <= block_y -1'b1; //方块向上移动88 end89 elsebegin90 block_x <=block_x;91 block_y <=block_y;92 end93end9495//给不同的区域绘制不同的颜色96always@(posedgevga_clk or negedgesys_rst_n) begin 97 if(!sys_rst_n)98 pixel_data <= BLACK;99 elsebegin100 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; //绘制边框为蓝色103 else104 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 else108 pixel_data <= WHITE; //绘制背景为白色109 end110 end111112 endmodule代码中14至18行声明了一系列的变量，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VGA驱动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，由程序的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。程序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。程序95至110行根据VGA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。图19.4.3为VGA显示模块显示一行图像时SignalTap抓取的波形图，图中包含了一个完整的行扫描周期，其中的有效图像部分被划分为三个不同的颜色区域：左右两侧蓝色边框（pixel_data = 001F）、中间虚线处的黑色方块（pixel_data = 0000）、以及两者之间的白色背景区域（pixel_data = FFFF）。
图 19.4.3 SignalTap波形图1.5 下载验证首先我们打开VGA方块移动工程，在工程所在的路径下打开vga_blockmove/par文件夹，在里面找到“vga_blockmove.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 19.5.1所示。
图 19.5.1 VGA方块移动工程然后将VGA连接线一端连接显示器，另一端与开发板上的VGA接口连接。再将下载器一端连电脑，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。开拓者开发板实物图如下所示：图 19.5.2 开拓者开发板实物图接下来我们下载程序，验证VGA显示方块移动的功能。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vga_blockmove/par/output_files目录下的“vga_ blockmove.sof”文件。开发板电源打开后，在程序下载界面点击“HardwareSetup”，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster”。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 19.5.3所示。
图 19.5.3 程序下载界面下载完成后观察显示器显示的图案如图 19.5.4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VGA方块移动程序下载验证成功。
图 19.5.4 VGA方块移动效果图
这描述语言真的写成C言语风格了
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