【正点原子FPGA连载】第四十一章 SD卡图片显示实验（LCD显示）--摘自《正点原子开拓者FPGA开发指南》

正点原子运营 · 发表于 2019-5-23 20:51:36

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35_top_sd_photo_lcd.rar (7.8 MB, 下载次数: 11175)

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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
41.1 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） ” 。
41.2 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。
41.3 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。
41.4 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“RGBTFT-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 1
0 //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。
41.5 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 41.5.8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 41.5.9和图 41.5.10所示：

图 41.5.9 LCD液晶屏显示第一张图片

图 41.5.10 LCD液晶屏显示第二张图片