【正点原子FPGA连载】第三十六章 OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示实验--摘自《正点原子开拓者FPGA开发指南》

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第三十六章 OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示实验

在OV7725摄像头VGA显示实验中， 我们成功地在VGA显示器上实时显示出了摄像头采集的图像。本章我们将使用FPGA开发板实现对OV7725的数字图像采集并通过7寸液晶屏模块实时显示。
本章包括以下几个部分：
36.1 OV7725简介
36.2 实验任务
36.3 硬件设计
36.4 程序设计
36.5 下载验证
36.1 OV7725简介
我们在“OV7725摄像头VGA显示实验” 中对OV7725的视频传输时序、 SCCB协议以及寄存器的配置信息等内容作了详细的介绍， 如果大家对这部分内容不是很熟悉的话， 请参考“OV7725摄像头VGA显示实验” 中的OV7725简介部分。
36.2 实验任务
本节实验任务是使用开拓者开发板及OV7725摄像头实现图像采集， 并通过正点原子推出的ATK-7’ RGBLCD液晶屏模块实时显示。
36.3 硬件设计
摄像头扩展接口原理图及OV7725模块说明与“OV7725摄像头VGA显示实验” 完全相同， 请参考“OV7725摄像头VGA显示实验” 硬件设计部分。 RGB TFT-LCD接口部分的硬件设计请参考“RGB TFT-LCD彩条显示实验” 中的硬件设计部分。
由于OV7725、LCD接口和SDRAM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。
36.4 程序设计
图 36.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。对比“OV7725摄像头VGA显示实验” 的系统框图可以发现， 我们只是把VGA驱动模块替换成了LCD顶层模块， 其余模块（除PLL时钟模块外） 完全相同。 PLL时钟模块用于为I2C驱动模块、 LCD顶层模块以及SDRAM读写控制模块提供驱
动时钟； I2C驱动模块和I2C配置模块用于初始化OV7725图像传感器； 摄像头采集模块负责采集摄像头图像数据， 并且把图像数据写入SDRAM读写控制模块中； SDRAM读写控制模块负责将用户数据写入和读出片外SDRAM存储器； LCD驱动模块负责驱动RGB TFT-LCD显示屏。 本章使用的LD显示屏为ALIENTEK推出的一款7寸RGB接口TFT液晶显示屏， 其分辨率为800*480。 而OV7725传感器的最大分辨率为640*480， 所以LCD显示屏水平方向上会有160（800-640） 个像素点无法显示图像， 为了使图像可以在显示屏的中间位置显示， 我们使用LCD显示模块在液晶屏两侧填充黑
色背景。OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示系统框图如下图所示：

图 36.4.1 OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示系统框图

顶层模块的原理图如下图所示：

图 36.4.2 顶层模块原理图

由上图可知， PLL时钟模块用于为I2C驱动模块、 LCD顶层模块以及SDRAM读写控制模块提供驱动时钟， I2C配置模块和I2C驱动模块控制着传感器初始化的开始与结束， 传感器初始化完成后图像采集模块将采集到的数据写入SDRAM读写控制模块， LCD顶层模块从SDRAM控制模块中读
出数据， 完成了数据的采集、 缓存与显示。 其中图像数据采集模块是在SDRAM和传感器都初始化完成之后才开始输出数据的， 避免了在SDRAM初始化过程中向里面写入数据。FPGA顶层模块（ov7725_rgb565_640x480_lcd） 例化了以下六个模块： PLL时钟模块
（pll_clk） 、 I2C驱动模块（i2c_dri） 、 I2C配置模块（i2c_ov7725_rgb565_cfg） 、 摄像头图像采集模块（cmos_capture_data） 、 SDRAM读写控制模块（sdram_top） 和LCD顶层模块（lcd_rgb_top） 。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3个时钟， 频率分别为100Mhz、 100Mhz（SDRAM相位偏移时钟）和33.3Mhz时钟。 100Mhz时钟和100Mhz相位偏移时钟作为SDRAM读写控制模块的驱动时钟， 33.3Mhz时钟作为I2驱动模块和LCD顶层模块的驱动时钟。I2C驱动模块（i2c_dri） ： I2C驱动模块负责驱动OV7725 SCCB接口总线， 用户可根据该模块提供的用户接口可以很方便的对OV7725的寄存器进行配置， 该模块和“EEPROM读写实验” 章节中用到的I2C驱动模块为同一个模块， 有关该模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”章节。I2C配置模块（i2c_ov7725_rgb565_cfg） ： I2C配置模块的驱动时钟是由I2C驱动模块输出的时钟提供的， 这样方便了I2C驱动模块和I2C配置模块之间的数据交互。 该模块寄存需要配置的寄存器地址、 数据以及控制初始化的开始与结束， 同时该模块输出OV7725的寄存器地址和数据以及控制I2C驱动模块开始执行的控制信号， 直接连接到I2C驱动模块的用户接口， 从而完成对OV7725传感器的初始化。 有关该模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头VGA显示实验”章节。摄像头图像采集模块（cmos_capture_data） ： 摄像头图像采集模块在像素时钟的驱动下将传感器输出的场同步信号、行同步信号以及8位数据转换成SDRAM读写控制模块的写使能信号和16位写数据信号， 完成对OV7725传感器图像的采集。 有关该模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头VGA显示实验” 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。 在“SDRAM读写测试实验” 的程序中， 读写操作地址都是SDRAM的同一存储空间， 如果只使用一个存储空间缓存图像数据， 那么同一存储空间中会出现两帧图像叠加的情况， 为了避免这一情况， 我们在SDRAM的其它BANK中开辟一个相同大小的存储空间， 使用乒乓操作的方式来写入和读取数据， 所以本次实验在“SDRAM读写测试实验” 的程序里做了一个小小的改动， 有关该模块的详细介绍请大家参考“SDRAM读写测试实验” 章节， 修改部分请大家参考“OV7725摄像头VGA显示实验” 章节。
LCD顶层模块（lcd_rgb_top） ： LCD顶层模块例化了LCD驱动模块（lcd_driver） 和LCD显示模块（lcd_display） 。 LCD驱动模块负责驱动RGB TFT-LCD显示屏， 通过读取SDRAM读写控制模块来输出像素数据， 本次实验将LCD驱动模块的内部信号data_req（数据请求信号） 输出至
端口， 方便从SDRAM控制器中读取数据， 有关LCD驱动模块的详细介绍请大家参考“RGB TFT-LCD彩条显示实验” 章节。 LCD显示模块完成液晶屏两侧填充黑色背景， 中间区域显示图像数据的功能。ATK-7’ RGBLCD模块液晶屏的分辨率为800*480， 而OV7725传感器的分辨率为640*480， 所
以LCD显示屏水平方向上会有160（800-640） 个像素点无法显示图像。 LCD显示模块实现的功能是将摄像头采集的图像在LCD屏幕的中间区域显示。
LCD显示模块的代码如下：
1 module lcd_display(
2 input lcd_clk, //lcd驱动时钟
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 input [15:0] cmos_data, //CMOS传感器像素点数据
8 output [15:0] lcd_data, //LCD像素点数据
9 output data_req //请求像素点颜色数据输入
10 );
11
12 //parameter define
13 parameter H_LCD_DISP = 11'd800; //LCD分辨率——行
14 parameter H_CMOS_DISP = 11'd640; //CMOS分辨率——行
15
16 localparam BLACK = 16'b00000_000000_00000; //RGB565 黑色
17
18 //reg define
19 reg data_val ; //数据有效信号
20
21 //wire define
22 wire [10:0] display_border_pos_l; //左侧边界的横坐标
23 wire [10:0] display_border_pos_r; //右侧边界的横坐标
24
25 //*****************************************************
26 //** main code
27 //*****************************************************
28
29 //左侧边界的横坐标计算 (800-640)/2-1 = 79
30 assign display_border_pos_l = (H_LCD_DISP - H_CMOS_DISP)/2-1;
31
32 //右侧边界的横坐标计算 640 + (800-640)/2-1 = 719
33 assign display_border_pos_r = H_CMOS_DISP + (H_LCD_DISP - H_CMOS_DISP)/2-1;
34
35 //请求像素点颜色数据输入 范围:79~718， 共640个时钟周期
36 assign data_req = ((pixel_xpos >= display_border_pos_l) &&
37 (pixel_xpos < display_border_pos_r)) ? 1'b1 : 1'b0;
38
39 //在数据有效范围内， 将摄像头采集的数据赋值给LCD像素点数据
40 assign lcd_data = data_val ? cmos_data : BLACK;
41
42 //有效数据滞后于请求信号一个时钟周期,所以数据有效信号在此延时一拍
43 always @(posedge lcd_clk or negedge sys_rst_n) begin
44 if(!sys_rst_n)
45 data_val <= 1'b0;
46 else
47 data_val <= data_req;
48 end
49
50 endmodule
在 代 码 的 第 22 至 第 23 行 定 义 了 LCD 显 示 屏 中 间 显 示 区 域 的 左 侧 边 界 的 横 坐 标（display_border_pos_l） 和右侧边界的横坐标（display_border_pos_r） ， 我们不难计算出左侧边界为79， 右侧边界为719。 pixel_xpos为LCD当前像素点的横坐标， 当该坐标位于液晶屏
中间显示区域内时， 输出一个数据请求信号， 用来读取SDRAM读写控制模块缓存的图像数据，如代码中第35至37行所示。 SDRAM读写控制模块内部使用FIFO输出图像数据， 因此有效数据滞后于请求信号一个时钟周期， 我们将数据有效信号（data_val） 延时一拍， 如代码中的第42
至第48行所示。
图 36.4.3、 图 36.4.4为采集到的SignalTap波形图。

图 36.4.3 LCD左侧边界横坐标信号SignalTap波形图

图 36.4.4 LCD右侧边界横坐标信号SignalTap波形图

由图 36.4.3、 图 36.4.4可知， 数据请求信号（data_req） 在pixel_xpos（LCD像素点横坐标） 的值为79~718范围内为高电平， 高电平持续时间共640个像素时钟周期； 从上图可以看到， 有效数据滞后于请求信号一个时钟周期， 所以我们在程序中将数据有效信号（data_val）
延时了一拍。我们在前面说过， 本章实验程序设计和“OV7725摄像头VGA显示实验” 相比， 只是把VGA驱动模块替换成了LCD顶层模块， 其余模块（除PLL时钟模块外） 完全相同。 本章节主要介绍下LCD显示模块， 而其它相同模块的程序设计详情请大家参考“OV7725摄像头VGA显示验”节。
36.5 下载验证
首先我们打开OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示实验工程， 在工程所在的路径下打开ov7725_rgb565_640x480_lcd/par文件夹， 在里面找到“ov7725_rgb565_640x480_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 36.5.1所示：

图 36.5.1 OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示实验工程

然后将OV7725摄像头插入开发板上的摄像头扩展接口（注意摄像头镜头朝外） ； 将FPC 排线一端与ALIENTEK的7寸RGB接口模块上的J1接口连接， 另一端与开拓者开发板上的J1接口连接；如图 36.5.2、 图 36.5.3所示。 连接时， 先掀开FPC连接器上的黑色翻盖， 将FPC排线蓝色面朝
上插入连接器， 最后将黑色翻盖压下以固定FPC排线。
连接实物图如下图所示：

图 36.5.2 ATK-7’ RGBLCD 模块 FPC 连接器

图 36.5.3 开拓者开发板 FPC 连接器

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。接下来我们下载程序， 验证OV7725摄像头RGB TFT-LCD实时显示功能。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 ov7725_rgb565_640x480_lcd/par/output_files 目 录 下 的“ov7725_rgb565_640x480_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 36.5.4所示：

图 36.5.4 程序下载完成界面

下载完成后观察显示器的显示图像如图 36.5.5所示， 说明OV7725摄像头LCD显示程序下载验证成功。

图 36.5.5 RGB TFT-LCD实时显示图像  

狂梦

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