使用ALINX VD100开发板实现图像处理

本篇文章来自 FPGA 大神、Ardiuvo & Hackster.IO 知名博主 Adam Taylor。在这里感谢 Adam Taylor 对 ALINX 产品的关注与测试。为了让文章更易阅读，我们在原文的基础上作了一些灵活的调整，包括对一些专业名词进行了补充解释，便于初学者快速理解。原文链接已贴在文章底部，点击"阅读原文"即可跳转。欢迎大家在评论区友好互动。

最近，我在办公室里搞了一块ALINX VD100。

这是一块基于AMD Versal Edge AI平台的开发板，功能特别强大，可以用来做图像处理、人工智能等各种高阶应用。

为了方便随时开发，我把它连到了公司局域网，远程就能连接，由此开始了我的折腾之旅。

这次，我最想探索的是：怎么在这块板子上跑图像处理的应用。

VD100不仅带了两个 MIPI 摄像头接口，还能直接连上LCD屏幕，基本满足了图像应用开发的需求。

第一步：让屏幕先亮起来！

搞摄像头太复杂，我决定先从屏幕入手——先通过测试图案生成器（Test Pattern Generator）验证 LCD 屏幕图像显示链路的有效性。

ALINX VD100开发板支持的 LCD 屏幕，分辨率是1280×720（WXGA 标准）。

数据传输采用的是VESA 标准的 LVDS 接口。

这里稍微解释一下：

LVDS（低压差分信号）是一种高速又抗干扰的数据传输方式，特别适合屏幕传输高速画面。

VESA 和 JEIDA 是常见的两种 LVDS 传输标准，咱们用的是 VESA。VESA 更国际通用，JEIDA 常见于日本厂商。

在 VESA 标准下使用 RG888 格式时，屏幕的每一帧图像数据和控制信号（如同步信号 hsync、vsync）会被打包进 4 条数据通道里，同时还有第 5 条通道专门传时钟（Clock），方便接收端正确还原数据。

每次时钟跳动时，每条数据通道都会同步传7 位数据。

听起来有点复杂？简单说就是：用 4+1 条小路，高速搬运屏幕画面。

开发流程：搭建系统设计

为了让板子顺利传屏幕数据，我们需要在 Vivado（AMD/Xilinx 的开发工具）里做一套设计，包括：

CIPS
→ 配置 VD100 平台上的 V100 SoM。

NOC
→ 配置 DDRMC，并开两条 MAXI 输出，提供数据存取支持。

视频测试图生成器 (Video Test Pattern Generator, TPG)
→ 通过 AXI Lite 总线连接到 NOC，生成标准图像（比如彩条、棋盘格）。

视频时序生成器 (Video Timing Controller, VTC)
→ 通过 AXI Lite 总线连接到 NOC，生成 LCD 显示需要的同步信号（如 hsync、vsync）。

AXI4-Stream to Video Out
→ 与上述两个生成器相连，把测试图和时序信息组织成并行视频流（RGB888格式）。

LCD_LVDS IP核
→ 把并行视频信号转成符合 LVDS 规范的数据流。

Advanced IO Wizard
→ 负责真正的串行化操作，把数据以 LVDS 标准发出去（包括 4 路数据+ 1 路时钟）。

最终 LCD 屏幕接收到 LVDS 信号并显示图像。

这套设计（可以在我的 GitHub 上找到）如下所示：

通过这个系统，我们可以使用 CIPS 内置的处理器来控制测试图案，从而验证各颜色通道是否正常。

设置和驱动 LCD 显示器的 CIPS 端代码也非常简单，如下所示：

#include
#include"platform.h"
#include"xil_printf.h"
#include"xvtc.h"
#include"xparameters.h"
#include"xv_tpg.h"
#include"xvidc.h"
#include"vga.h"


XV_tpg   tpg;
XVtc   VtcInst;
VideoMode  video;
XVtc_Config *vtc_config ;


intmain()
{
  XVtc_SourceSelect SourceSelect;
  XVtc_Timing vtcTiming;
  u32 height,width,status;
 init_platform();


 print("Setting up Timing

");
  vtc_config =XVtc_LookupConfig(XPAR_XVTC_0_BASEADDR);    
 XVtc_CfgInitialize(&VtcInst,vtc_config ,XPAR_XVTC_0_BASEADDR);


 print("Setting up Video

");
  video = VMODE_1280x720 ;
 vtcTiming.HActiveVideo = video.width; 
 vtcTiming.HFrontPorch = video.hps - video.width; 
 vtcTiming.HSyncWidth = video.hpe - video.hps;  
 vtcTiming.HBackPorch = video.hmax - video.hpe +1; 
 vtcTiming.HSyncPolarity = video.hpol; 
 vtcTiming.VActiveVideo = video.height; 
 vtcTiming.V0FrontPorch = video.vps - video.height; 
 vtcTiming.V0SyncWidth = video.vpe - video.vps; 
 vtcTiming.V0BackPorch = video.vmax - video.vpe +1;; 
 vtcTiming.V1FrontPorch = video.vps - video.height; 
 vtcTiming.V1SyncWidth = video.vpe - video.vps; 
 vtcTiming.V1BackPorch = video.vmax - video.vpe +1;
 vtcTiming.VSyncPolarity = video.vpol; 
 vtcTiming.Interlaced =0;


 print("Setting up TPG

");


  XV_tpg_Initialize(&tpg,XPAR_XV_TPG_0_BASEADDR );
   status =XV_tpg_IsIdle(&tpg);
  XV_tpg_Set_height(&tpg, (u32) video.height);
XV_tpg_Set_width(&tpg, (u32) video.width);
 height =XV_tpg_Get_height(&tpg);
 width =XV_tpg_Get_width(&tpg);
XV_tpg_Set_colorFormat(&tpg,XVIDC_CSF_RGB);
  XV_tpg_Set_bckgndId(&tpg,XTPG_BKGND_TARTAN_COLOR_BARS);
XV_tpg_Set_maskId(&tpg,0x0);
XV_tpg_Set_motionSpeed(&tpg,0x4);
  XV_tpg_EnableAutoRestart(&tpg);
XV_tpg_Start(&tpg);


 print("Setting up Source

");


memset((void*)&SourceSelect,0,sizeof(XVtc_SourceSelect));
 SourceSelect.VBlankPolSrc =1;
 SourceSelect.VSyncPolSrc =1;
 SourceSelect.HBlankPolSrc =1;
 SourceSelect.HSyncPolSrc =1;
 SourceSelect.ActiveVideoPolSrc =1;
 SourceSelect.ActiveChromaPolSrc=1;
 SourceSelect.VChromaSrc =1;
 SourceSelect.VActiveSrc =1;
 SourceSelect.VBackPorchSrc =1;
 SourceSelect.VSyncSrc =1;
 SourceSelect.VFrontPorchSrc =1;
 SourceSelect.VTotalSrc =1;
 SourceSelect.HActiveSrc =1;
 SourceSelect.HBackPorchSrc =1;
 SourceSelect.HSyncSrc =1;
 SourceSelect.HFrontPorchSrc =1;
 SourceSelect.HTotalSrc =1;


 print("Run Timing Gen

");  


XVtc_SetGeneratorTiming(&VtcInst, &vtcTiming);
XVtc_SetSource(&VtcInst, &SourceSelect);
XVtc_EnableGenerator(&VtcInst);
 XVtc_RegUpdateEnable(&VtcInst);
XVtc_Enable(&VtcInst);


while(1){


  };


 cleanup_platform();
return0;
}

LCD_LVDS 这个模块，我是直接从 ALINX 的 GitHub 仓库上下载的。

下载好后，把它加到 Vivado 里面，就能像拼积木一样拖进设计里。

LCD_LVDS 下载链接：https://github.com/alinxalinx/VD100_2023.2/tree/master/Demo/course_s1

写好所有程序后，我们让开发板运行，屏幕上果然显示出了测试图案，色彩鲜明，说明各个颜色通道都正常了。开发板和屏幕之间的沟通，算是正式打通了！

不过，这里面有个很有意思的事情。

Advanced IO Wizard 这个模块，默认是按 8 位一组来打包数据发出去的。

而我们的 VESA LVDS 传输，要求 7 位一组。这咋办？

我用到了一个叫做 Gearbox 的小模块，把 7 位数据转换成 4 位数据输出。

然后，用 Advanced IO Wizard 把 4 位数据高速串行发出去。

这样就实现了 7 位序列化，虽然中间多了一步变换，但整体还是很高效的。

不过，其实只要手动配置一下，Advanced IO Wizard 也是可以支持直接 7 位打包发送的，只是这次参考了 AMD 的官方应用笔记（参考代码叫 tx_piso_7to1），所以先用了 Gearbox 的方式。

未来有机会的话，我想试着优化一下，直接用 7 位串行模式，把系统做得更简洁高效！

接下来要做的

现在图像输出环节已经搞定了，接下来就是更刺激的前端部分：

通过 MIPI 接口接入摄像头，把真实拍到的图像，实时显示到屏幕上。

真正的图像处理任务，马上就要开始啦！

(未完待续)