HDMI字符显示实验

FPGA教程学习

第十五章 HDMI字符显示实验

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前言

在HDMI输出彩条的基础上输出osd叠加信息。

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实验原理

实验通过字符转换工具将字符转换为 16 进制 coe 文件存放到单端口的 ROM IP 核中，再从
ROM 中把转换后的数据读取出来显示到 HDMI 上。
大致过程是将视频时序再经过一次处理模块，替换其中特定位置的数据，除了数据其余均不发生变化。

程序设计

与之前的彩条显示多了一个osd叠加模块。

像素点坐标模块

该模块输入信号和输出信号一致，主要是为了计数像素的坐标。

module timing_gen_xy(
	input                   rst_n,   
	input                   clk,
	input                   i_hs,    
	input                   i_vs,    
	input                   i_de,    
	input[23:0]             i_data,  
	output                  o_hs,    
	output                  o_vs,    
	output                  o_de,    
	output[23:0]            o_data,  
	output[11:0]            x,        // video position X
	output[11:0]            y         // video position y
);
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计数的原理：
场信号在前肩到同步时是上升沿，表示是一副图像的开始，可以根据场信号的上升沿（或者下降沿，一个就行）来将行计数清零，即第零行。行递增计数的话使用DE信号的下降沿进行计数，当DE变为无效时，说明已经输出了一行像素点。
而行信号表示是一行的开始，这里没有用到，直接使用了DE信号，DE信号表示像素点有效，即有效像素点的开始，跳过行前肩+行同步+行后肩，用来计数一行的像素点。

注意数据也需要进行两次延时。

字符叠加模块

由上面的模块已经获取到了当前的坐标，接下来只要知道字符起始位置和需要叠加的字符，将输出的数据进行替换即可。如果当前坐标（像素点）需要叠加，就设置为需要的颜色，否则保持不变即可。

确定区域位置，使用一个寄存器表示，坐标在叠加区域的话就设置为有效。

//OSD区域设置，起始坐标为（9，9），区域大小根据生成的字符长宽设置
always@(posedge pclk)
begin
	if(pos_y >= 12'd9 && pos_y <= 12'd9 + OSD_HEGIHT - 12'd1 && pos_x >= 12'd9 && pos_x  <= 12'd9 + OSD_WIDTH - 12'd1)
		region_active <= 1'b1;
	else
		region_active <= 1'b0;
end
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rom读取，在叠加区域内开始计数，实际计数的是像素点，但是一次读取数据为8bit，所以将低三位去掉即可。

//产生ROM的读地址，在region_active有效时，地址加1
always@(posedge pclk)
begin
	if(pos_vs_d1 == 1'b1 && pos_vs_d0 == 1'b0)
		osd_ram_addr <= 16'd0;
	else if(region_active == 1'b1)
		osd_ram_addr <= osd_ram_addr + 16'd1;
end

osd_rom osd_rom_m0 (
	.clka                       (pclk                    ),   
	.ena                        (1'b1                    ),     
	.addra                      (osd_ram_addr[15:3]      ), 	//生成的字符一个点为1bit，由于数据宽度为8bit，因此8个周期检查一次数据
	.douta                      (q                       )  
);
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有了字符叠加区域和字符值，可以进行数据替换，注意这里是依次将8位数据替换，osd_x是像素的横坐标，取低三位作为像素点的计数下标即可。

always@(posedge pclk)
begin
	if(region_active_d0 == 1'b1)
		if(q[osd_x[2:0]] == 1'b1)  //检查bit位是否是1，如果是1，将此像素设为红色
			v_data <= 24'hff0000;
		else
			v_data <= pos_data;	   //否则保持原来的值
	else
		v_data <= pos_data;
end
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实验结果

直接跑的demo，这里截个官方的图放在这里。

知识点

1. rom的创建和初始数据（coe文件设置）的设置。
2. rom的读时序。
3. 视频时序。
4. 边沿检测。
   当前一状态和当前状态不同的时候，可认为采样到了边沿信号。
   当前一状态为高电平，当前状态为低电平时，说明是下降沿。
   当前一状态为低电平，当前状态为高电平时，说明是下降沿。

i_vs，vs_d0 ，vs_d1三个信号去分析的话，要把整个过程理解成并行的，vs_d0 、vs_d1是两个记录状态的寄存器，理解成串行vs->d0->d1是错的。d0是vs的上一个状态，d1是d0上一个状态的记录，或者说，d0是vs延时一个周期的信号，d1是d0延时一个周期的信号。d0可以看作最新的状态，d1是上一个状态，d0&~d1是上升沿。同理可以分析DE的边沿。

assign vs_edge 		= vs_d0 & ~vs_d1;  		//VS posedge
assign de_falling 	= ~de_d0 & de_d1;		//DE negedge
always@(posedge clk)
begin
	de_d0 		<= i_de;
	de_d1 		<= de_d0;
	vs_d0 		<= i_vs;
	vs_d1 		<= vs_d0;
	hs_d0 		<= i_hs;
	hs_d1 		<= hs_d0;
end
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总结

本实验在HDMI显示彩条的基础上，通过对视频时序的处理以及像素数据的替换，将rom中的字模叠加到画面中，实现了OSD信息的叠加。