如何构建Zynq图像增强系统

第1步：材料

完成此项目您将需要：

硬件

-任何具有HDMI和以太网的ZYNQ板都可以正常工作/我正在使用Digilent Zybo

-USB A到micro B USB电缆

-HDMI电缆

-以太网电缆

-带有HDMI输入的显示器

软件

-Xilinx Vivado

-Xilinx SDK

步骤2：输出-VGA控制器第1部分

我们将使用开发板上的HDMI端口输出视觉数据。 HDMI端口连接到ZYNQ的PL（可编程逻辑= FPGA）端，我们将需要为其设计VHDL控制器。如果您曾经设计过VGA控制器，您会发现它非常相似。 HDMI和VGA的时序实际上是相同的，实际上您可以在现有的VGA控制器上构建以获得HDMI控制器。

为更好地了解实际情况，我们将首先设计一个VGA控制器

我们要以1920x1080的分辨率显示。

VGA控制器负责将像素数据（RGB格式）依次逐像素传输到显示器。在1920x1080的实际显示区域之外，还有一些“边界”区域，即：前沿，后沿和回扫。这些区域的像素大小是标准的，并针对每种分辨率。这些区域实际上并没有出现在屏幕上，但是它们是必需的，并且该区域中像素的颜色必须为黑色。一个有效的问题是，为什么需要这些额外的区域。这个问题违背了这个可指导性的目的，但是如果您好奇的话，我鼓励您在线进行进一步研究。

这是一个很好的视频，解释了VGA接口https://goo.gl/vfSw6o

在我们的情况下，我们希望以1920 * 1080的分辨率进行显示，这些时间是：

水平显示区域= 1920像素

水平Fron门廊= 88像素

水平后沿= 148像素

水平回扫= 44像素

垂直显示区域= 1080像素

垂直前沿= 4像素

垂直后沿= 36像素

垂直回扫= 5像素

（您可以在此处找到其他分辨率的时间http：//goo。 gl/hFNRVb）

因此，我们的实际分辨率为2200 x1125。我们希望60 fps（每秒帧数），因此我们的像素时钟将为60 * 2200 * 1125 = 148.5 MHz。在Zybo板上，提供了125 Mhz的时钟。我们将使用MMCM IP生成所需的148.5 MHz像素时钟。

步骤3：输出-VGA控制器第2部分

《在上一步的理论背景下，您应该可以设计自己的VGA控制器。我将为您提供一个Vivado项目，但我建议您至少尝试自己尝试一下。

大多数VGA端口不会为每个像素的每个颜色通道提供8位（参见上图），因此您需要使设计适应开发板提供的每种颜色的引脚数（尽管这对于HDMI来说不是问题）。

设计会将整个屏幕涂成蓝色，除了左上方的像素将变为红色。应当指出，该项目使用了ZYBO董事会的约束条件。因此，如果要在另一个开发板上运行该项目，则应更新约束文件并调整每种颜色的引脚数。

请看图nr。 2.请记住，尽管我们的VGA控制器在每种颜色下输出5/6位，但是在通过电缆之前，这些位会针对每种颜色通道（红色，绿色和蓝色）转换为一个模拟信号。

第4步：输出-HDMI控制器第1部分

现在，我们知道了VGA控制器的工作原理，并且我们有一个可行的设计，我们可以继续使用HDMI控制器。 HDMI控制器实际上将使用我们在VGA控制器中开发的所有代码。 HDMI和VGA使用相同的时序和相同的信号。差异出现在输出引脚上。

虽然VGA每种颜色使用一根线并传输一条模拟信号，但HDMI每次每种颜色以1位数字方式传输数据并使用差分信号。差分信号意味着HDMI的每一位都有2个引脚，而另一个则相反。因此，如果我们要传输信号“ 1”，我们将在一根线上传输“ 1”，而在另一根线上传输“ 1”。这样可以确保信号的完整性，您可以在https://goo.gl/6CPCzB上了解更多信息。对于每种颜色（红色，绿色和蓝色），我们都有一个通道，对于时钟，我们有一个通道。由于差分信号的特殊性，我们通过HDMI发送的信号必须经过DC平衡处理，这意味着1和0的数量必须在特定的时间范围内大致相等。为了实现这一点，我们将使用8b/10b编码。您可以从DVI规范（http://goo.gl/hhh8Ge，DVI和HDMI使用相同的视频信号）上了解很多有关差分信号和8b/10b编码的工作原理。

第5步：输出-HDMI控制器第2部分

足够的理论，让我们进入我们的项目。在VGA控制器中，我们获得了148.5 MHz的时钟，但是在这里，我们将不得不提供10倍的频率，因为我们要为每种颜色传输8位，并使用8b/10b编码转换为每个像素10位和10 * 148.5MHz = 1485MHz。这是Zybo板上无法获得的巨大频率。幸运的是，我们掌握了一些技巧。我们可以管理5 * 148.5MHz = 742.5MHz，我们将使用OSERDES（串行器）IP在742.5Mhz时钟的上升沿和下降沿都传输数据，因此实际上我们将以1485MHz传输数据。 Vivado会给我们一些时间警告，您可以始终使用较小的时钟来获得较低的分辨率，但是由于它可以正常工作，因此我们暂时不介意（警告与时钟缓冲区未正式存在有关

因此，我们需要做的是将来自VGA控制器输出的数据编码为8b/10b格式，然后如上所述进行序列化。我们还需要在项目中添加另一个MMCM，以生成用于序列化的742.5MHz时钟。

我在编码器和序列化器的vhdl文件下面附加了该文件。您必须首先对RGB通道进行编码，然后对其进行序列化。

红色通道示例：

TMDS_encoder_RED：TMDS_encoder

端口图（clk148，red_channel_8bits，c_red，video_on ，encode_red_10bits）;

Serialiser_RED：Serialiser10_1

端口映射（clk148，clk742，encoded_red_10bits，重置，red_serial_1bit）；

TMDS_encoder的“ c”输入是红色和绿色的“ 00”，蓝色是“ vsync＆hsync”（这是DVI规范http://goo.gl/hhh8Ge）。

步骤6：从RAM显示图像

HDMI控制器的目的是显示处理后的图像。现在，在实现控制器并准备就绪后，我们应该考虑为该控制器提供数据。鉴于很多图像增强过程将在PS中进行（处理系统= ARM处理器），并且生成的图像将驻留在DDR RAM中。因此，我们需要一种从RAM到HDMI控制器获取数据的方法。

要实现此目的，您需要3个IP：

1）VDMA（视频直接内存访问） ）

2）VTC（视频定时控制器）

3）流到视频输出（从现在开始我们将其称为S2VO）

S2VO实际上将提供输出的RGB 24BIT信号以及所需的HSYNC和VSYNC信号。因此，我们可以省去HDMI控制器的那一部分。

您应该将这些IP添加到设计中，进行配置并进行正确的连接。

最后，您应该得到类似于

步骤7：输出-SDK END

所有硬件均已设置好并准备就绪，我们现在必须在PS中构建软件。我们将导出硬件和比特流并启动SDK。

1）文件-》导出-》导出硬件-》选中包括比特流，然后按确定

2）文件-》启动SDK

在SDK中创建一个新的应用程序项目。

3）文件-》新建-》应用程序项目

4）为您的项目选择一个名称，然后按下一步

5）选择“ Hello World”模板然后按Finish

SDK中的应用程序将需要对VDMA进行编程。为了完成此操作，使用了一些标准功能（我会在有空的时候进行详细介绍）。

为了测试我们的设计，我们将使用SDK Restore（Xilinx工具-》转储/还原） ）功能可将图像放入DDR RAM内存并使用我们的HDMI控制器显示。您可以将图像加载到所需的任何位置（内存开头的一些较小的受限区域除外）。在我们的示例中，我们选择了地址16777216，文件大小为8294400 = 1920 * 1080 * 4（4个通道= RGB + alpha）。

责任编辑：wv