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本帖最后由 正点原子运营 于 2021-10-30 10:18 编辑
1）实验平台：正点原子新起点V2FPGA开发板
2) 章节摘自【正点原子】《新起点之FPGA开发指南 V2.1》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609758951113
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_xinqidian(V2).html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子FPGA技术交流QQ群：712557122
第四十一章 OV5640摄像头RGB-LCD显示实验
OV5640同OV7725一样，都是OmniVision（豪威科技）公司生产的CMOS图像传感器。不同的是，OV5640支持更高的分辨率、采集速率，具有更高的图像处理性能，主要应用在手机、数码相机、电脑多媒体等领域。本章将使用FPGA开发板实现对OV5640的数字图像采集并通过LCD实时显示。
本章包括以下几个部分：
4040.1简介
40.2实验任务
40.3硬件设计
40.4程序设计
40.5下载验证
41.1简介
OV5640是一款1/4英寸单芯片图像传感器，其感光阵列达到2592*1944（即500W像素），能实现最快15fps QSXVGA（2592*1944）或者90fps VGA（640*480）分辨率的图像采集。传感器采用OmniVision推出的OmniBSI（背面照度）技术，使传感器达到更高的性能，如高灵敏度、低串扰和低噪声。传感器内部集成了图像处理的功能，包括自动曝光控制（AEC）、自动白平衡（AWB）等。同时该传感器支持LED补光、MIPI（移动产业处理器接口）输出接口和DVP（数字视频并行）输出接口选择、ISP（图像信号处理）以及AFC（自动聚焦控制）等功能。
OV5640的功能框图如下图所示：
图 41.1.1 OV5640功能框图
由上图可知，时序发生器（timing generator）控制着感光阵列（image array）、放大器（AMP）、AD转换以及输出外部时序信号（VSYNC、HREF和PCLK），外部时钟XVCLK经过PLL锁相环后输出的时钟作为系统的控制时钟；感光阵列将光信号转化成模拟信号，经过增益放大器之后进入10位AD转换器；AD转换器将模拟信号转化成数字信号，并且经过ISP进行相关图像处理，最终输出所配置格式的10位视频数据流。增益放大器控制以及ISP等都可以通过寄存器（registers）来配置，配置寄存器的接口就是SCCB接口，该接口协议兼容IIC协议。
OV5640使用的是两线式SCCB接口总线，有关SCCB总线的详细介绍可以参考“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”中OV7725简介部分。虽然OV5640和OV7725都是采用SCCB接口总线来配置寄存器，但不同的是，OV7725是用8位（1个字节）来表示寄存器地址，而OV5640是用16位（两个字节）表示寄存器地址。
OV5640 SCCB的写传输协议如下图所示：
图 41.1.2 SCCB写传输协议
上图中的ID ADDRESS是由7位器件地址和1位读写控制位构成（0：写 1：读），OV5640的器件地址为7’h3c，所以在写传输协议中，ID Address（W）= 8’h78（器件地址左移1位，低位补0）；Sub-address(H)为高8位寄存器地址，Sub-address(L)为低8位寄存器地址，在OV5640众多寄存器中，有些寄存器是可改写的，有些是只读的，只有可改写的寄存器才能正确写入；Write Data为8位写数据，每一个寄存器地址对应8位的配置数据。
在OV5640正常工作之前，必须先对传感器进行初始化，即通过配置寄存器使其工作在预期的工作模式，以及得到较好画质的图像。因为SCCB的写传输协议和IIC几乎相同，因此我们可以直接使用IIC的驱动程序来配置摄像头。当然这么多寄存器也并非都需要配置，很多寄存器可以采用默认的值。OV公司提供了OV5640的软件应用手册（OV5640 Software Application Note，位于开发板所随附的资料“7_硬件资料/4_OV5640资料/OV5640_camera_module_software_application_notes.pdf”），如果某些寄存器不知道如何配置可以参考此手册，下表是本程序用到的关键寄存器的配置说明。
表 41.1.1 OV5640关键寄存器配置说明
OV5640的寄存器较多，对于其它寄存器的描述可以参OV5640的数据手册。需要注意的是，OV5640的数据手册并没有提供全部的寄存器描述，而大多数必要的寄存器配置在ov5640的软件应用手册中可以找到，可以结合这两个手册学习如何对OV5640进行配置。
1）输出图像参数设置
接下来，我们介绍一下OV5640的ISP输入窗口设置、预缩放窗口设置和输出大小窗口设置，这几个设置与我们的正常使用密切相关，有必要了解一下，它们的设置关系如下图所示：
图 41.1.3 图像窗口设置
ISP输入窗口设置（ISP Input Size）允许用户设置整个传感器显示区域（physical pixel size，2632*1951，其中2592*1944像素是有效的），开窗范围从0*0~2632*1951都可以任意设置。也就是上图中的X_ADDR_ST（寄存器地址0x3800、0x3801）、Y_ADDR_ST（寄存器地址0x3802、0x3803）、X_ADDR_END（寄存器地址0x3804、0x3805）和Y_ADDR_END（寄存器地址0x3806、0x3807）寄存器。该窗口设置范围中的像素数据将进入ISP进行图像处理。
预缩放窗口设置（pre-scaling size）允许用户在ISP输入窗口的基础上进行裁剪，用于设置将进行缩放的窗口大小，该设置仅在ISP输入窗口内进行X/Y方向的偏移。可以通过X_OFFSET（寄存器地址0x3810、0x3811）和Y_OFFSET（寄存器地址0x3812、0x3813）进行配置。
输出大小窗口设置（data output size）是在预缩放窗口的基础上，经过内部DSP进行缩放处理，并将处理后的数据输出给外部的图像窗口，图像窗口控制着最终的图像输出尺寸。可以通过X_OUTPUT_SIZE（寄存器地址0x3808、0x3809）和Y_OUTPUT_SIZE（寄存器地址0x380A、0x380B）进行配置。注意：当输出大小窗口与预缩放窗口比例不一致时，图像将进行缩放处理（图像变形），仅当两者比例一致时，输出比例才是1:1（正常图像）。
图 41.1.3 图像窗口设置中，右侧data output size区域，才是OV5640输出给外部的图像尺寸，也就是显示在显示器或者液晶屏上面的图像大小。输出大小窗口与预缩放窗口比例不一致时，会进行缩放处理，在显示器上面看到的图像将会变形。
16)输出像素格式
OV5640支持多种不同的数据像素格式，包括YUV（亮度参量和色度参量分开表示的像素格式）、RGB（其中RGB格式包含RGB565、RGB555等）以及RAW（原始图像数据），通过寄存器地址0x4300配置成不同的数据像素格式。
由于摄像头采集的图像最终要通过LCD显示，故我们将OV5640摄像头输出的图像像素数据配置成RGB565格式。由上表（表 41.1.1）可知，将寄存器0x4300寄存器的Bit[7:4]设置成0x6即可。OV5640支持调节RGB565输出格式中各颜色变量的顺序，对于我们常见的应用来说，一般是使用RGB或BGR序列。我们在“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”的章节中介绍过，OV7725摄像头按照RGB的顺序输出，本章我们将OV5640输出的RGB565的颜色顺序和OV7725保持一致，将寄存器0x4300寄存器的Bit[3:0]设置成0x1。因此，“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”章节中的图像采集模块可以直接用来采集OV5640输出的图像。
17)彩条测试模式
图像传感器配置成彩条测试模式后，会输出彩色的条纹，方便测试图像传感器是否正常工作，通过配置寄存器0x503d的Bit[7]位打开和关闭彩条模式。当需要打开彩条模式时，寄存器0x503d配置成0x80，关闭时配置成0x00，下图为打开彩条模式后图像输出的条纹。
图 41.1.4 彩条模式下的图像条纹
18)LED闪光灯
当外界环境光较暗时，传感器采集图像会受到较大影响，此时可以通过打开LED补光灯来弥补光照不足所带来的影响，就像手机在夜晚拍照时也会打开闪光灯来提高图像质量。通过配置寄存器0x3016=0x02，0x301c=0x02来使能LED补光灯功能；配置寄存器0x3019=0x02打开闪光灯，0x3019=0x00关闭闪光灯。
19)图像输出时序
接下来，我们介绍一下OV5640的图像数据输出时序，首先我们简单介绍一些定义。
QSXGA，这里指：分辨率为2592*1944的输出格式，类似的还有：QXGA(2048*1536）、UXGA(1600*1200）、SXGA(1280*1024）、WXGA(1440*900）、WXGA(1280*800）、XGA(1024*768）、SVGA(800*600）、VGA(640*480）、QVGA(320*240）和QQVGA(160*120)等。
PCLK：像素时钟，一个PCLK时钟输出一个像素或者半个像素（像素数据的高8位或者低8位）。
VSYNC：帧同步信号。
HREF/HSYNC：行同步信号。
D[9:0]：像素数据，在RGB565格式中，只有高8位是有效的。
tPclk：一个时钟周期 。
tp：一个像素点的周期，在RGB565和YUV422输出格式下，tp=2*tPclk；Raw输出格式下，tp=tPclk。
下图为OV5640输出图像数据的行时序图。
图 41.1.5 OV5640行时序图
从上图可以看出，传感器在HREF为高电平的时候输出图像数据，当HREF变高后，每一个 PCLK时钟，输出一个8位或者10位像素数据。比如我们采用QSXGA时序，RGB565格式输出，tp=2*tPclk，每2个字节组成一个像素的颜色，这样每行总共输出2592*2个PCLK，也就是2592*2个字节。
再来看看帧时序（QSXGA模式，分辨率2592*1944），如下图所示：
图 41.1.6 OV5640 QSXGA帧时序
由上图可知，VSYNC的上升沿作为一帧的开始，高电平同步脉冲的时间为5688tp，紧接着等待48276tp时间后，HREF开始拉高，此时输出有效数据；HREF由2592tp个高电平和252tp个低电平构成；最后一行图像数据输出完成之后等待14544tp时间，一帧数据传输结束。所以输出一帧图像的时间实际上是tFrame = 5596992tp。
从OV5640的行时序图和帧时序图可以发现，其输出时序和OV7725是非常相似的，只是时间参数不同而已，大家可以参考“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”中帧时序的介绍来学习OV5640的输出时序。
41.2实验任务
本节实验任务是使用新起点开发板及OV5640摄像头实现图像采集，并通过RGB-LCD接口驱动RGB-LCD液晶屏（支持目前正点原子推出的所有RGB-LCD屏），并实时显示出图像。
41.3硬件设计
我们的新起点FPGA开发板上有一个摄像头扩展接口，该接口可以用来连接OV7725/OV5640等摄像头模块，摄像头扩展接口原理图如下图所示：
图 41.3.1 摄像头扩展接口原理图
ATK-OV5640是正点原子推出的一款高性能500W像素高清摄像头模块。该模块通过2*9排针（2.54mm间距）同外部连接，我们将摄像头的排针直接插在开发板上的摄像头接口即可，模块外观如图 41.3.2所示：
图 41.3.2 OV5640摄像头连接开发板图
从图 41.3.2可以看出，模块自带有源晶振，用于产生24MHz时钟作为OV5640的输入时钟。模块的闪光灯（LEDI&LED2）由OV5640的STROBE引脚控制，用户可通过SCCB接口总线控制STROBE引脚输出高低电平，从而控制LED闪光灯的亮灭。用户在使用LED灯时不建议一直点亮或者点亮时间太长。因为LED闪光灯功率较高，发光强度较强，模块温度上升会比较快，会造成器件的可靠性降低，同时注意避免直接照射人眼。
我们在前面说过，OV5640在RGB565模式下只有高8位数据是有效的即D[9:2]，而我们的摄像头排针上数据引脚的个数是8位。实际上，摄像头排针上的8位数据连接的就是OV5640传感器的D[9:2]，所以我们直接使用摄像头排针上的8位数据引脚即可。
由于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，这里只列出摄像头相关管脚分配，如下表所示：
表 41.3.1 OV5640摄像头管脚分配
摄像头TCL约束文件如下：
- set_location_assignment PIN_T14 -to cam_data[7]
- set_location_assignment PIN_R14 -to cam_data[6]
- set_location_assignment PIN_N6 -to cam_data[5]
- set_location_assignment PIN_P6 -to cam_data[4]
- set_location_assignment PIN_M8 -to cam_data[3]
- set_location_assignment PIN_N8 -to cam_data[2]
- set_location_assignment PIN_P8 -to cam_data[1]
- set_location_assignment PIN_K9 -to cam_data[0]
- set_location_assignment PIN_M9 -to cam_href
- set_location_assignment PIN_R13 -to cam_pclk
- set_location_assignment PIN_R12 -to cam_pwdn
- set_location_assignment PIN_L9 -to cam_rst_n
- set_location_assignment PIN_N9 -to cam_scl
- set_location_assignment PIN_L10 -to cam_sda
- set_location_assignment PIN_P9 -to cam_vsync
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I2C驱动模块、LCD顶层模块以及SDRAM控制器模块提供驱动时钟；I2C驱动模块和I2C配置模块、图像尺寸配置模块用于初始化OV5640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；SDRAM读写控制模块负责将用户数据写入和读出片外SDRAM存储器中；LCD顶层模块负责驱动RGB TFT-LCD显示屏。
OV5640摄像头RGB TFT-LCD显示系统框图如下图所示：
图 41.4.1 OV5640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 41.4.2 顶层模块原理图
由上图可知，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（ov5640_rgb565_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_ov5640_rgb565_cfg）、摄像头图像采集模块（cmos_capture_data）、图像尺寸配置模块（picture_size）、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50Mhz（LCD分频用）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，最后一个50Mhz时钟作为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OV5640 SCCB接口总线，用户可根据该模块提供的用户接口对OV5640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_ov5640_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OV5640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OV5640传感器的初始化。OV7725和OV5640寄存器配置时序非常相似，有关该模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”章节。
摄像头图像采集模块（cmos_capture_data）：摄像头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OV5640传感器图像的采集。OV7725和OV5640图像输出时序非常相似，有关该模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”章节。
图像尺寸配置模块（picture_size）：图像尺寸配置模块用于配置摄像头输出图像尺寸的大小，以及设置摄像头输出图像的帧率（每秒输出图像的帧数），此外还完成了SDRAM的读写结束地址设置。
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。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RGB-LCD显示实验”章节。
LCD顶层模块（lcd_rgb_top）：LCD顶层模块下例化了以下三个模块：读ID模块（rd_id）、分频模块（clk_div）、LCD驱动模块（lcd_driver）。
读ID模块（rd_id）：读ID模块用于读取连接到开发板上的LCD的ID。
分频模块（clk_div）：分频模块用于输出驱动LCD所需要的时钟。由于不同尺寸/分辨率RGB LCD的驱动时钟频率是不一样的，该模块实现不同LCD的驱动时钟适配。
LCD驱动模块（lcd_driver）：LCD驱动模块负责驱动LCD液晶屏，该模块通过读取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-LCD彩条显示实验”章节。
下面是顶层模块中参数设置需要注意的地方，顶层模块参数设置代码如下：
- 34 //parameter define
- 35 parameter SLAVE_ADDR = 7'h3c ; //OV5640的器件地址7'h3c
- 36 parameter BIT_CTRL = 1'b1 ; //OV5640的字节地址为16位 0:8位 1:16位
- 37 parameter CLK_FREQ = 27'd50_000_000 ; //i2c_dri模块的驱动时钟频率
- 38 parameter I2C_FREQ = 18'd250_000 ; //I2C的SCL时钟频率,不超过400KHz
在代码的第35行定义了OV5640的器件地址，其器件地址为7’h3c；第36行定义了寄存器地址的位宽，BIT_CTRL=0表示地址位宽为8位，BIT_CTRL=1表示地址位宽为16位。因为OV5640的地址位宽为16位，所以BIT_CTRL设置为1。
下面是顶层模块里锁相环例化部分：
- 82 //锁相环
- 83 pll u_pll(
- 84 .areset (~sys_rst_n),
- 85 .inclk0 (sys_clk),
- 86
- 87 .c0 (clk_100m),
- 88 .c1 (clk_100m_shift),
- 89 .c2 (clk_50m_lcd),
- 90 .locked (locked)
- 91 );
在代码的第89行输出了一个50Mhz的时钟clk_50m_lcd，作为LCD顶层模块和I2C驱动模块（i2c_dri）的驱动时钟。
为了适配现有的RGB LCD屏幕，我们对I2C配置模块的端口部分进行了修改：
- 104 //I2C配置模块
- 105 i2c_ov5640_rgb565_cfg u_i2c_cfg(
- 106 .clk (i2c_dri_clk),
- 107 .rst_n (rst_n),
- 108
- 109 .i2c_exec (i2c_exec),
- 110 .i2c_data (i2c_data),
- 111 .i2c_rh_wl (i2c_rh_wl), //I2C读写控制信号
- 112 .i2c_done (i2c_done),
- 113 .i2c_data_r (i2c_data_r),
- 114
- 115 .cmos_h_pixel (cmos_h_pixel), //CMOS水平方向像素个数
- 116 .cmos_v_pixel (cmos_v_pixel) , //CMOS垂直方向像素个数
- 117 .total_h_pixel (total_h_pixel), //水平总像素大小
- 118 .total_v_pixel (total_v_pixel), //垂直总像素大小
- 119
- 120 .init_done (cam_init_done)
- 121 );
在本实验中，cmos_h_pixel、cmos_v_pixel这两个配置需要依据LCD尺寸的大小而改变。此外，total_h_pixel及total_v_pixel的参数也需要进行配置，它们会影响到输出图像的帧率。
在顶层模块中例化了图像尺寸配置模块（picture_size），它输出了上一段提到的四个变量的具体数值：
- 93 //摄像头图像分辨率设置模块
- 94 picture_size u_picture_size (
- 95 .clk (clk_50m_lcd ),
- 96 .rst_n (rst_n ),
- 97 .id_lcd (lcd_id ), //LCD的ID，用于配置摄像头的图像大小
- 98 .cmos_h_pixel (cmos_h_pixel ), //摄像头水平方向分辨率
- 99 .cmos_v_pixel (cmos_v_pixel ), //摄像头垂直方向分辨率
- 100 .total_h_pixel (total_h_pixel ), //用于配置HTS寄存器
- 101 .total_v_pixel (total_v_pixel ), //用于配置VTS寄存器
- 102 .sdram_max_addr (sdram_max_addr) //sdram读写的最大地址
- 103 );
- 模块内部的代码如下：
- 1 module picture_size (
- 2 input rst_n ,
- 3 input clk ,
- 4 input [15:0] id_lcd ,
- 5
- 6 output reg [12:0] cmos_h_pixel ,
- 7 output reg [12:0] cmos_v_pixel ,
- 8 output reg [12:0] total_h_pixel ,
- 9 output reg [12:0] total_v_pixel ,
- 10 output reg [23:0] sdram_max_addr
- 11 );
- 12
- 13 //parameter define
- 14 parameter ID_4342 = 16'h4342;
- 15 parameter ID_7084 = 16'h7084;
- 16 parameter ID_7016 = 16'h7016;
- 17 parameter ID_1018 = 16'h1018;
- 18
- 19 //*****************************************************
- 20 //** main code
- 21 //*****************************************************
- 22
- 23 //配置摄像头输出尺寸的大小
- 24 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 25 if(!rst_n) begin
- 26 cmos_h_pixel <= 13'b0;
- 27 cmos_v_pixel <= 13'd0;
- 28 sdram_max_addr <= 23'd0;
- 29 end
- 30 else begin
- 31 case(id_lcd )
- 32 16'h4342 : begin
- 33 cmos_h_pixel = 13'd480;
- 34 cmos_v_pixel = 13'd272;
- 35 sdram_max_addr = 23'd130560;
- 36 end
- 37 16'h7084 : begin
- 38 cmos_h_pixel = 13'd800;
- 39 cmos_v_pixel = 13'd480;
- 40 sdram_max_addr = 23'd384000;
- 41 end
- 42 16'h7016 : begin
- 43 cmos_h_pixel = 13'd1024;
- 44 cmos_v_pixel = 13'd600;
- 45 sdram_max_addr = 23'd614400;
- 46 end
- 47 16'h1018 : begin
- 48 cmos_h_pixel = 13'd1280;
- 49 cmos_v_pixel = 13'd800;
- 50 sdram_max_addr = 23'd1024000;
- 51 end
- 52 default : begin
- 53 cmos_h_pixel = 13'd800;
- 54 cmos_v_pixel = 13'd480;
- 55 sdram_max_addr = 23'd384000;
- 56 end
- 57 endcase
- 58 end
- 59 end
- 60
- 61 //对HTS及VTS的配置会影响摄像头输出图像的帧率
- 62 always @(*) begin
- 63 case(id_lcd)
- 64 ID_4342 : begin
- 65 total_h_pixel = 13'd1800;
- 66 total_v_pixel = 13'd1000;
- 67 end
- 68 ID_7084 : begin
- 69 total_h_pixel = 13'd1800;
- 70 total_v_pixel = 13'd1000;
- 71 end
- 72 ID_7016 : begin
- 73 total_h_pixel = 13'd2200;
- 74 total_v_pixel = 13'd1000;
- 75 end
- 76 ID_1018 : begin
- 77 total_h_pixel = 13'd2570;
- 78 total_v_pixel = 13'd980;
- 79 end
- 80 default : begin
- 81 total_h_pixel = 13'd1800;
- 82 total_v_pixel = 13'd1000;
- 83 end
- 84 endcase
- 85 end
- 86
- 87 endmodule
我们通过组合逻辑对变量进行赋值，在代码的第31至第59行，对摄像头输出图像尺寸相关的参数（cmos_h_pixel、cmos_v_pixel）进行了配置。同时还配置了一帧图像在SDRAM里的结束缓存地址sdram_max_addr，它是cmos_h_pixel、cmos_v_pixel的乘积。
在代码的61至85行，对影响帧率的参数total_h_pixel、total_v_pixel进行了配置。
在顶层代码例化SDRAM顶层模块的170和179行，我们进行了修改。如下所示，SDRAM顶层模块的wr_max_addr与rd_max_addr端口和sdram_max_addr信号直连。
- 158 //SDRAM 控制器顶层模块,封装成FIFO接口
- 159 //SDRAM 控制器地址组成: {bank_addr[1:0],row_addr[12:0],col_addr[8:0]}
- 160 sdram_top u_sdram_top(
- 161 .ref_clk (clk_100m), //sdram 控制器参考时钟
- 162 .out_clk (clk_100m_shift), //用于输出的相位偏移时钟
- 163 .rst_n (rst_n), //系统复位
- 164
- 165 //用户写端口
- 166 .wr_clk (cam_pclk), //写端口FIFO: 写时钟
- 167 .wr_en (wr_en), //写端口FIFO: 写使能
- 168 .wr_data (wr_data), //写端口FIFO: 写数据
- 169 .wr_min_addr (24'd0), //写SDRAM的起始地址
- 170 .wr_max_addr (sdram_max_addr), //写SDRAM的结束地址
- 171 .wr_len (10'd512), //写SDRAM时的数据突发长度
- 172 .wr_load (~rst_n), //写端口复位: 复位写地址,清空写FIFO
- 173
- 174 //用户读端口
- 175 .rd_clk (clk_lcd), //读端口FIFO: 读时钟
- 176 .rd_en (rd_en), //读端口FIFO: 读使能
- 177 .rd_data (rd_data), //读端口FIFO: 读数据
- 178 .rd_min_addr (24'd0), //读SDRAM的起始地址
- 179 .rd_max_addr (sdram_max_addr), //读SDRAM的结束地址
- 180 .rd_len (10'd512), //从SDRAM中读数据时的突发长度
- 181 .rd_load (~rst_n), //读端口复位: 复位读地址,清空读FIFO
- 在顶层模块代码的最后，例化了LCD顶层模块（lcd）,如下所示：
- 207 //LCD顶层模块
- 208 lcd_rgb_top u_lcd_rgb_top(
- 209 .sys_clk (clk_50m_lcd ),
- 210 .sys_rst_n (rst_n ),
- 211 .sys_init_done (sys_init_done),
- 212
- 213 //lcd接口
- 214 .lcd_id (lcd_id), //LCD屏的ID号
- 215 .lcd_hs (lcd_hs), //LCD 行同步信号
- 216 .lcd_vs (lcd_vs), //LCD 场同步信号
- 217 .lcd_de (lcd_de), //LCD 数据输入使能
- 218 .lcd_rgb (lcd_rgb), //LCD 颜色数据
- 219 .lcd_bl (lcd_bl), //LCD 背光控制信号
- 220 .lcd_rst (lcd_rst), //LCD 复位信号
- 221 .lcd_pclk (lcd_pclk), //LCD 采样时钟
- 222 .lcd_clk (lcd_clk), //LCD 驱动时钟
- 223 //用户接口
- 224 .out_vsync (rd_vsync), //lcd场信号
- 225 .h_disp (), //行分辨率
- 226 .v_disp (), //场分辨率
- 227 .pixel_xpos (),
- 228 .pixel_ypos (),
- 229 .data_in (rd_data), //rfifo输出数据
- 230 .data_req (rd_en) //请求数据输入
- 231 );
LCD顶层模块里例化了读ID模块（rd_id）、分频模块（clk_div）、LCD驱动模块（lcd_driver），如下所示：
- 1 module lcd_rgb_top(
- 2 input sys_clk , //系统时钟
- 3 input sys_rst_n, //复位信号
- 4 input sys_init_done,
- 5 //lcd接口
- 6 output lcd_clk, //LCD驱动时钟
- 7 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
- 8 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
- 9 output lcd_de, //LCD 数据输入使能
- 10 inout [15:0] lcd_rgb, //LCD RGB颜色数据
- 11 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
- 12 output lcd_rst, //LCD 复位信号
- 13 output lcd_pclk, //LCD 采样时钟
- 14 output [15:0] lcd_id, //LCD屏ID
- 15 output out_vsync, //lcd场信号
- 16 output [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
- 17 output [10:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
- 18 output [10:0] h_disp, //LCD屏水平分辨率
- 19 output [10:0] v_disp, //LCD屏垂直分辨率
- 20 input [15:0] data_in, //数据输入
- 21 output data_req //请求数据输入
- 22
- 23 );
- 24
- 25 //wire define
- 26 wire [15:0] lcd_rgb_565; //输出的16位lcd数据
- 27 wire [15:0] lcd_rgb_o ; //LCD 输出颜色数据
- 28 wire [15:0] lcd_rgb_i ; //LCD 输入颜色数据
- 29 //*****************************************************
- 30 //** main code
- 31 //*****************************************************
- 32 //将摄像头16bit数据输出
- 33 assign lcd_rgb_o =lcd_rgb_565 ;
- 34
- 35 //像素数据方向切换
- 36 assign lcd_rgb = lcd_de ? lcd_rgb_o : {16{1'bz}};
- 37 assign lcd_rgb_i = lcd_rgb;
- 38
- 39 //时钟分频模块
- 40 clk_div u_clk_div(
- 41 .clk (sys_clk ),
- 42 .rst_n (sys_rst_n),
- 43 .lcd_id (lcd_id ),
- 44 .lcd_pclk (lcd_clk )
- 45 );
- 46
- 47 //读LCD ID模块
- 48 rd_id u_rd_id(
- 49 .clk (sys_clk ),
- 50 .rst_n (sys_rst_n),
- 51 .lcd_rgb (lcd_rgb_i),
- 52 .lcd_id (lcd_id )
- 53 );
- 54
- 55 //lcd驱动模块
- 56 lcd_driver u_lcd_driver(
- 57 .lcd_clk (lcd_clk),
- 58 .sys_rst_n (sys_rst_n & sys_init_done),
- 59 .lcd_id (lcd_id),
- 60
- 61 .lcd_hs (lcd_hs),
- 62 .lcd_vs (lcd_vs),
- 63 .lcd_de (lcd_de),
- 64 .lcd_rgb (lcd_rgb_565),
- 65 .lcd_bl (lcd_bl),
- 66 .lcd_rst (lcd_rst),
- 67 .lcd_pclk (lcd_pclk),
- 68
- 69 .pixel_data (data_in),
- 70 .data_req (data_req),
- 71 .out_vsync (out_vsync),
- 72 .h_disp (h_disp),
- 73 .v_disp (v_disp),
- 74 .pixel_xpos (pixel_xpos),
- 75 .pixel_ypos (pixel_ypos)
- 76 );
- 77
- 78 endmodule
在代码的第36行，当lcd_de信号为高电平时，即像素数据有效的时候，输出lcd_rgb_o信号给lcd_rgb。当lcd_de信号为低电平时，给lcd_rgb信号赋值为高阻态。我们就是在当lcd_rgb信号高阻态的时候，读取LCD的ID。读ID模块的代码如下：
- 1 module rd_id(
- 2 input clk , //时钟
- 3 input rst_n , //复位，低电平有效
- 4 input [15:0] lcd_rgb, //RGB LCD像素数据,用于读取ID
- 5 output reg [15:0] lcd_id //LCD屏ID
- 6 );
- 7
- 8 //reg define
- 9 reg rd_flag; //读ID标志
- 10 //*****************************************************
- 11 //** main code
- 12 //*****************************************************
- 13
- 14 //获取LCD ID M2:B4 M1:G5 M0:R4
- 15 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 16 if(!rst_n) begin
- 17 rd_flag <= 1'b0;
- 18 lcd_id <= 16'd0;
- 19 end
- 20 else begin
- 21 if(rd_flag == 1'b0) begin
- 22 rd_flag <= 1'b1;
- 23 case({lcd_rgb[4],lcd_rgb[10],lcd_rgb[15]})
- 24 3'b000 : lcd_id <= 16'h4342; //4.3' RGB LCD RES:480x272
- 25 3'b001 : lcd_id <= 16'h7084; //7' RGB LCD RES:800x480
- 26 3'b010 : lcd_id <= 16'h7016; //7' RGB LCD RES:1024x600
- 27 3'b100 : lcd_id <= 16'h4384; //4.3' RGB LCD RES:800x480
- 28 3'b101 : lcd_id <= 16'h1018; //10' RGB LCD RES:1280x800
- 29 default : lcd_id <= 16'd0;
- 30 endcase
- 31 end
- 32 end
- 33 end
- 34
- 35 endmodule
代码的第15行至33行实现了读取LCD ID的操作，在复位信号拉高后读取一次ID。
在前面，我们提到过不同尺寸的LCD所需的驱动时钟频率是不一样的。比如4.3寸LCD需要12.5MHz的时钟，7寸800*480分辨率（其中ID号为4384的虽然是4.3寸的，但是它的分辨率也是800*480的所以时钟跟7084是一样的）的LCD需要25MHz的时钟，7寸1024*600分辨率的LCD需要50MHz的时钟，10.1寸LCD也需要50MHz的时钟（注意：这里所给出的五款屏幕工作时钟并非屏幕所支持的最大时钟）。为了适配不同尺寸/分辨率的LCD，就需要输出相应的驱动时钟。分频模块的代码如下：
- 1 module clk_div(
- 2 input clk, //50Mhz
- 3 input rst_n,
- 4 input [15:0] lcd_id,
- 5 output reg lcd_pclk
- 6 );
- 7
- 8 reg clk_25m;
- 9 reg clk_12_5m;
- 10 reg div_4_cnt;
- 11
- 12 //时钟2分频 输出25MHz时钟
- 13 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 14 if(!rst_n)
- 15 clk_25m <= 1'b0;
- 16 else
- 17 clk_25m <= ~clk_25m;
- 18 end
- 19
- 20 //时钟4分频 输出12.5MHz时钟
- 21 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 22 if(!rst_n) begin
- 23 div_4_cnt <= 1'b0;
- 24 clk_12_5m <= 1'b0;
- 25 end
- 26 else begin
- 27 div_4_cnt <= div_4_cnt + 1'b1;
- 28 if(div_4_cnt == 1'b1)
- 29 clk_12_5m <= ~clk_12_5m;
- 30 end
- 31 end
- 32
- 33 always @(*) begin
- 34 case(lcd_id)
- 35 16'h4342 : lcd_pclk = clk_12_5m;
- 36 16'h7084 : lcd_pclk = clk_25m;
- 37 16'h7016 : lcd_pclk = clk;
- 38 16'h4384 : lcd_pclk = clk_25m;
- 39 16'h1018 : lcd_pclk = clk;
- 40 default : lcd_pclk = 1'b0;
- 41 endcase
- 42 end
- 43
- 44 endmodule
我们决定把50MHz的输入时钟分频为12.5MHz、25MHz、50Mhz这三个频率的时钟。7寸1024*600分辨率的LCD和10.1寸的LCD共用50MHz的时钟。
为了能够驱动不同的LCD，LCD驱动模块也需要进行适当的修改，其代码如下：
- 1 module lcd_driver(
- 2 input lcd_clk, //lcd模块驱动时钟
- 3 input sys_rst_n, //复位信号
- 4 input [15:0] lcd_id, //LCD屏ID
- 5 input [15:0] pixel_data, //像素点数据
- 6 output data_req , //请求像素点颜色数据输入
- 7 output [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
- 8 output [10:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
- 9 output reg [10:0] h_disp, //LCD屏水平分辨率
- 10 output reg [10:0] v_disp, //LCD屏垂直分辨率
- 11 output out_vsync, //帧复位，高有效
- 12 //RGB LCD接口
- 13 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
- 14 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
- 15 output reg lcd_de, //LCD 数据输入使能
- 16 output reg [15:0] lcd_rgb, //LCD RGB565颜色数据
- 17 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
- 18 output lcd_rst, //LCD 复位信号
- 19 output lcd_pclk //LCD 采样时钟
- 20 );
- 21
- 22 //parameter define
- 23 // 4.3' 480*272
- 24 parameter H_SYNC_4342 = 11'd41; //行同步
- 25 parameter H_BACK_4342 = 11'd2; //行显示后沿
- 26 parameter H_DISP_4342 = 11'd480; //行有效数据
- 27 parameter H_FRONT_4342 = 11'd2; //行显示前沿
- 28 parameter H_TOTAL_4342 = 11'd525; //行扫描周期
- 29
- 30 parameter V_SYNC_4342 = 11'd10; //场同步
- 31 parameter V_BACK_4342 = 11'd2; //场显示后沿
- 32 parameter V_DISP_4342 = 11'd272; //场有效数据
- 33 parameter V_FRONT_4342 = 11'd2; //场显示前沿
- 34 parameter V_TOTAL_4342 = 11'd286; //场扫描周期
- 35
- 36 // 7' 800*480
- 37 parameter H_SYNC_7084 = 11'd128; //行同步
- 38 parameter H_BACK_7084 = 11'd88; //行显示后沿
- 39 parameter H_DISP_7084 = 11'd800; //行有效数据
- 40 parameter H_FRONT_7084 = 11'd40; //行显示前沿
- 41 parameter H_TOTAL_7084 = 11'd1056; //行扫描周期
- 42
- 43 parameter V_SYNC_7084 = 11'd2; //场同步
- 44 parameter V_BACK_7084 = 11'd33; //场显示后沿
- 45 parameter V_DISP_7084 = 11'd480; //场有效数据
- 46 parameter V_FRONT_7084 = 11'd10; //场显示前沿
- 47 parameter V_TOTAL_7084 = 11'd525; //场扫描周期
- 48
- 49 // 7' 1024*600
- 50 parameter H_SYNC_7016 = 11'd20; //行同步
- 51 parameter H_BACK_7016 = 11'd140; //行显示后沿
- 52 parameter H_DISP_7016 = 11'd1024; //行有效数据
- 53 parameter H_FRONT_7016 = 11'd160; //行显示前沿
- 54 parameter H_TOTAL_7016 = 11'd1344; //行扫描周期
- 55
- 56 parameter V_SYNC_7016 = 11'd3; //场同步
- 57 parameter V_BACK_7016 = 11'd20; //场显示后沿
- 58 parameter V_DISP_7016 = 11'd600; //场有效数据
- 59 parameter V_FRONT_7016 = 11'd12; //场显示前沿
- 60 parameter V_TOTAL_7016 = 11'd635; //场扫描周期
- 61
- 62 // 10.1' 1280*800
- 63 parameter H_SYNC_1018 = 11'd10; //行同步
- 64 parameter H_BACK_1018 = 11'd80; //行显示后沿
- 65 parameter H_DISP_1018 = 11'd1280; //行有效数据
- 66 parameter H_FRONT_1018 = 11'd70; //行显示前沿
- 67 parameter H_TOTAL_1018 = 11'd1440; //行扫描周期
- 68
- 69 parameter V_SYNC_1018 = 11'd3; //场同步
- 70 parameter V_BACK_1018 = 11'd10; //场显示后沿
- 71 parameter V_DISP_1018 = 11'd800; //场有效数据
- 72 parameter V_FRONT_1018 = 11'd10; //场显示前沿
- 73 parameter V_TOTAL_1018 = 11'd823; //场扫描周期
- 74
- 75 // 4.3' 800*480
- 76 parameter H_SYNC_4384 = 11'd128; //行同步
- 77 parameter H_BACK_4384 = 11'd88; //行显示后沿
- 78 parameter H_DISP_4384 = 11'd800; //行有效数据
- 79 parameter H_FRONT_4384 = 11'd40; //行显示前沿
- 80 parameter H_TOTAL_4384 = 11'd1056; //行扫描周期
- 81
- 82 parameter V_SYNC_4384 = 11'd2; //场同步
- 83 parameter V_BACK_4384 = 11'd33; //场显示后沿
- 84 parameter V_DISP_4384 = 11'd480; //场有效数据
- 85 parameter V_FRONT_4384 = 11'd10; //场显示前沿
- 86 parameter V_TOTAL_4384 = 11'd525; //场扫描周期
- 87
- 88 //reg define
- 89 reg [10:0] h_sync ;
- 90 reg [10:0] h_back ;
- 91 reg [10:0] h_total;
- 92 reg [10:0] v_sync ;
- 93 reg [10:0] v_back ;
- 94 reg [10:0] v_total;
- 95 reg [10:0] h_cnt ;
- 96 reg [10:0] v_cnt ;
- 97
- 98 //wire define
- 99 wire lcd_en;
- 100
- 101 //*****************************************************
- 102 //** main code
- 103 //*****************************************************
- 104 assign lcd_bl = 1'b1; //RGB LCD显示模块背光控制信号
- 105 assign lcd_rst = 1'b1; //RGB LCD显示模块系统复位信号
- 106 assign lcd_pclk = lcd_clk; //RGB LCD显示模块采样时钟
- 107
- 108 //RGB LCD 采用数据输入使能信号同步时，行场同步信号需要拉高
- 109
- 110 assign lcd_hs = 1'b1;
- 111 assign lcd_vs = 1'b1;
- 112
- 113 //使能RGB565数据输出
- 114 assign lcd_en = ((h_cnt >= h_sync + h_back) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp)
- 115 && (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
- 116 ? 1'b1 : 1'b0;
- 117
- 118 //帧复位，高有效
- 119 assign out_vsync = ((h_cnt <= 100) && (v_cnt == 1)) ? 1'b1 : 1'b0;
- 120
- 121 //请求像素点颜色数据输入
- 122 assign data_req =((h_cnt>=h_sync + h_back - 1'b1) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp - 1'b1)
- 123 && (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
- 124 ? 1'b1 : 1'b0;
- 125
- 126 //像素点坐标
- 127 assign pixel_xpos = data_req ? (h_cnt - (h_sync + h_back - 1'b1)) : 11'd0;
- 128 assign pixel_ypos = data_req ? (v_cnt - (v_sync + v_back - 1'b1)) : 11'd0;
- 129
- 130
- 131 //LCD输入的颜色数据采用数据输入使能信号同步
- 132 always[url=home.php?mod=space&uid=95564]@[/url] (posedge lcd_clk or negedge sys_rst_n) begin
- 133 if(!sys_rst_n)
- 134 lcd_de <= 11'd0;
- 135 else begin
- 136 lcd_de <= lcd_en;
- 137 end
- 138 end
- 139
- 140 //RGB565数据输出
- 141 always@ (posedge lcd_clk or negedge sys_rst_n) begin
- 142 if(!sys_rst_n)
- 143 lcd_rgb <= 16'd0;
- 144 else begin
- 145 if(lcd_en)
- 146 lcd_rgb <= pixel_data;
- 147 else
- 148 lcd_rgb <= 16'd0;
- 149 end
- 150 end
- 151
- 152 //行场时序参数
- 153 always @(posedge lcd_clk) begin
- 154 case(lcd_id)
- 155 16'h4342 : begin
- 156 h_sync <= H_SYNC_4342;
- 157 h_back <= H_BACK_4342;
- 158 h_disp <= H_DISP_4342;
- 159 h_total <= H_TOTAL_4342;
- 160 v_sync <= V_SYNC_4342;
- 161 v_back <= V_BACK_4342;
- 162 v_disp <= V_DISP_4342;
- 163 v_total <= V_TOTAL_4342;
- 164 end
- 165 16'h7084 : begin
- 166 h_sync <= H_SYNC_7084;
- 167 h_back <= H_BACK_7084;
- 168 h_disp <= H_DISP_7084;
- 169 h_total <= H_TOTAL_7084;
- 170 v_sync <= V_SYNC_7084;
- 171 v_back <= V_BACK_7084;
- 172 v_disp <= V_DISP_7084;
- 173 v_total <= V_TOTAL_7084;
- 174 end
- 175 16'h7016 : begin
- 176 h_sync <= H_SYNC_7016;
- 177 h_back <= H_BACK_7016;
- 178 h_disp <= H_DISP_7016;
- 179 h_total <= H_TOTAL_7016;
- 180 v_sync <= V_SYNC_7016;
- 181 v_back <= V_BACK_7016;
- 182 v_disp <= V_DISP_7016;
- 183 v_total <= V_TOTAL_7016;
- 184 end
- 185 16'h4384 : begin
- 186 h_sync <= H_SYNC_4384;
- 187 h_back <= H_BACK_4384;
- 188 h_disp <= H_DISP_4384;
- 189 h_total <= H_TOTAL_4384;
- 190 v_sync <= V_SYNC_4384;
- 191 v_back <= V_BACK_4384;
- 192 v_disp <= V_DISP_4384;
- 193 v_total <= V_TOTAL_4384;
- 194 end
- 195 16'h1018 : begin
- 196 h_sync <= H_SYNC_1018;
- 197 h_back <= H_BACK_1018;
- 198 h_disp <= H_DISP_1018;
- 199 h_total <= H_TOTAL_1018;
- 200 v_sync <= V_SYNC_1018;
- 201 v_back <= V_BACK_1018;
- 202 v_disp <= V_DISP_1018;
- 203 v_total <= V_TOTAL_1018;
- 204 end
- 205 default : begin
- 206 h_sync <= H_SYNC_4342;
- 207 h_back <= H_BACK_4342;
- 208 h_disp <= H_DISP_4342;
- 209 h_total <= H_TOTAL_4342;
- 210 v_sync <= V_SYNC_4342;
- 211 v_back <= V_BACK_4342;
- 212 v_disp <= V_DISP_4342;
- 213 v_total <= V_TOTAL_4342;
- 214 end
- 215 endcase
- 216 end
- 217
- 218 //行计数器对像素时钟计数
- 219 always@ (posedge lcd_pclk or negedge sys_rst_n) begin
- 220 if(!sys_rst_n)
- 221 h_cnt <= 11'd0;
- 222 else begin
- 223 if(h_cnt == h_total - 1'b1)
- 224 h_cnt <= 11'd0;
- 225 else
- 226 h_cnt <= h_cnt + 1'b1;
- 227 end
- 228 end
- 229
- 230 //场计数器对行计数
- 231 always@ (posedge lcd_clk or negedge sys_rst_n) begin
- 232 if(!sys_rst_n)
- 233 v_cnt <= 11'd0;
- 234 else begin
- 235 if(h_cnt == h_total - 1'b1) begin
- 236 if(v_cnt == v_total - 1'b1)
- 237 v_cnt <= 11'd0;
- 238 else
- 239 v_cnt <= v_cnt + 1'b1;
- 240 end
- 241 end
- 242 end
- 243
- 244 endmodule
在代码的第24至86行，定义了五种RGB LCD屏的时序参数。在代码的第152行至第216行，根据LCD的ID对参数变量进行赋值。到这里程序设计部分就讲解完了，至于SDRAM控制器部分和“ov7725 lcd显示实验”是一样的，这里就不再重复讲解了，大家有不明白的可以去看看前面的例程。
41.5下载验证
首先将OV5640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 排线一端与正点原子的RGB接口模块上的J1接口连接，另一端与新起点开发板上的J1接口连接；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，实物连接图如图 41.5.1所示。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OV5640摄像头RGB TFT-LCD实时显示功能。
下载完成后观察显示器的显示图像如图 41.5.2所示，说明OV5640摄像头LCD显示程序下载验证成功。
图 41.5.1 实物连接图
图 41.5.2 RGB TFT-LCD实时显示图像
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发表于 2021-10-26 11:02:20
