第40章、基于RS232的VGA图像显示（串口+ram）

【实战】

使用 PC机通过 UART串口传输图片像素数据（txt文件）给FPGA，FPGA将图片数据缓存到内部RAM中，再利用vga控制模块读取，在VGA显示器中心位置显示缓存到RAM中的图片。VGA显示模式为 640x480@60；图片大小为100x100。

基于RS232的VGA图像显示工程的工作流程：

(1) 系统上电后，板卡传入系统时钟(sys_clk)和复位信号(sys_rst_n)到顶层模块；

(2) 系统时钟直接传入时钟生成模块(clk_gen)，分频产生 VGA工作时钟(vga_clk)，作为图像数据生成模块(vga_pic)和VGA时序控制模块(vga_ctrl)的工作时钟；产生串口接收模块工作时钟(rx_clk)，作为串口接收模块(uart_rx)的工作时钟。

(3) 使用PC机中的上位机软件向FPGA发送图片数据，串口接收模块(uart_rx)将接收到的图片数据写入图像数据生成模块(vga_pic) 中调用IP核生成的RAM中。

(4) 图像数据生成模块以 VGA时序控制模块传入的像素点坐标(pix_x,pix_y)为约束条件，生成背景信息的待显示图像的色彩信息(pix_data)；在图片显示区域读取存储于RAM的图片数据；两者数据结合生成VGA显示图像数据pix_data_out传入VGA时序控制模块。

(5) 图像数据生成模块生成的图像色彩信息pix_data_out 传入 VGA时序控制模块，在模块内部使用使能信号滤除掉非图像显示有效区域的图像数据，产生 RGB色彩信息(rgb)，在行、场同步信号(hsync、vsync)的同步作用下，将RGB色彩信息扫描显示到VGA显示器，实现图片显示。

【图像数据生成模块（vga_pic）】

【图片预处理】

图片不能直接通过串口收发，需要通过处理将图片转化为指示像素信息的数据格式：

①、图片大小：本次实验显示图片大小为100*100，若图片满足要求，无需处理。图片大小的预处理方法可参阅“基于ROM的VGA图像显示”章节的相关部分，此处不再赘述。

②、图片格式：串口传输数据位宽要求为8bit，要将像素的色彩格式转换为 RGB332 格式，这样既能通过串口传输，也能表示图片信息，但图片清晰度会降低。

使用Matlab对图片进行处理，将图片色彩模式转换为RGB332，并保存为十六进制文本格式的*.txt文件，具体见代码。

【.txt文件生成】

在vga_uart_pic文件夹下创建matlab文件夹，并添加图片
画图工具打开，修改像素为100*100，修改图片大小；
matlab创建 vga_uart_pic.m 文件，运行代码，修改图片格式为 RGB332 ，并提取图像像素点信息，输出 “.txt” 格式文件

clc; %清理命令行窗口
clear all; %清理工作区
RGB=imread('logo.bmp'); %使用imread函数读取图片数据
[ROW,COL,D]=size(RGB); %图片行,列,维度
R=RGB(:,:,1); %提取图片中的红色分量
G=RGB(:,:,2); %提取图片中的绿色分量
B=RGB(:,:,3); %提取图片中的蓝色分量
imgdata=zeros(1,ROW*COL); %定义一个初值为0的数组,存储转换后的图片数据
%转换为RGB332格式

for r=1:ROW

for c=1:COL

imgdata((r-1)*COL+c)=bitand(R(r,c),224)+bitshift(bitand(G(r,c),224),-3)+bitshift(bitand(B(r,c),192),-6);

end

end
%打开或生成txt文件,将格式转换完成的数据写入txt文件

fidc=fopen('data_logo.txt','w+');

for i =1:ROW*COL

fprintf(fidc,'%02x ',imgdata(i));

end

fclose(fidc);

设计本模块的目的是产生 VGA彩条背景像素点色彩信息和读出RAM存储的图片数据。模块内部实例化RAM IP核，有6路输入，1路输出，输入信号为数据写时钟、数据写使能、数据写地址、写入数据、数据读时钟、数据读地址，输出为数据读地址对应图片数据。

输入信号：

时钟信号vga_clk ：频率为25MHz，为VGA显示器工作时钟，由分频模块产生并输入；
RAM数据写时钟：频率为50MHz，由分频模块产生并输入，与数据接收模块的工作时钟为同一时钟；
复位信号sys_rst_n ：为顶层模块的rst_n信号输入，低电平有效；pi_flag、pi_data两信号成对出现，由串口数据接收模块产生并传入，分别作为RAM数据写使能信号和数据写入信号；
(pix_x,pix_y) ：VGA有效显示区域像素点坐标，由VGA时序控制模块生并输入。

输出信号：

pix_data_out ：图像像素点色彩信息，在有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)约束下生成，传输到VGA时序控制模块。

第一部分：RAM数据写地址wr_addr信号波形

想要将串口传入的图像数据写入RAM 中，时钟、使能、地址和数据信号缺一不可。时钟、使能和数据信号均由外部传入，地址信号内部声明。
使用输入的数据写使能信号 pi_flag 作为数据写地址的wr_addr的自加条件，数据写地址wr_addr赋初值为数据写入首地址，本实验的首地址0，pi_flag信号每拉高一次，地址信号加1。要注意的是，数据写地址使用的时钟要与RAM数据写时钟相同。

第二部分：彩条背景色彩信息(pi_data)波形图

根据输入像素点坐标(pix_x,pix_y)，在有效显示区域，将pix_x计数范围十等分，在不同的计数部分给pix_data赋值对应的色彩信息，因为采用时序逻辑的赋值方式，pix_data滞后pix_x、pix_y信号一个时钟周期。

第三部分：RAM读使能(rd_en)、RAM地址(rd_addr)和读出图片数据(pic_data)波形图

将要显示的的图片数据通过串口写入RAM，写入图片分辨率为100*100。要想将存储在RAM的图片数据读取出来，数据读时钟、读使能信号和地址信号必不可少，数据读时钟由外部传入，所以模块内部要声明 RAM读使能信号(rd_en) 和 RAM地址(ram_addr)信号。
在图片显示区域拉高使能信号，将要读取数据地址写入 RAM地址端口，读取地址对应图像数据。读地址信号以读使能信号为约束条件，在数据读时钟信号同步下，初值为0，当读使能信号为高电平时，每一个时钟周期自加1。但要注意，自RAM读取的数据是滞后使能信号和地址信号一个时钟周期的（比如，当使能信号为高电平，地址写入为999，但与地址999同步输出的数据为地址998的数据，所以RAM读使能信号(rd_en)和RAM地址(rd_addr)信号均要超前图片显示区域一个时钟周期）。

第四部分：图片显示有效信号(pic_valid)、待显示图像数据(pic_data_out)波形图

声明一个内部信号，那就是图片显示有效信号(pic_valid)。在有效信号为高电平时，将自RAM读出的图片数据赋值给待显示图像数据(pic_data_out)，覆盖彩条背景。
利用RAM读使能信号(rd_en)信号延迟一个时钟周期生成图片显示有效信号(pic_valid)（RAM读使能信号(rd_en)超前图片显示区域一个时钟周期）；
在有效信号为高电平时，将自ROM读出的图片数据赋值给待显示图像数据(pic_data_out)，覆盖彩条背景。