2-3-24 TPG图像测试数据发生器设计

软件版本：VIVADO2021.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

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1 概述

TPG(video_test_pattern generator) 视频测试模式发生器用于产生测试数据，对视频数据通路测试。

2 TPG视频测试模式发生器2.1 系统框图

I_tpg_ck:视频格式的像素时钟

I_tpg_vs: 视频格式的场同步信号

I_tpg_hs: 视频格式的行同步信号

I_tpg_de: 视频格式的有效数据阶段

O_tpg_vs:同I_tpg_vs

O_tpg_hs:同I_tpg_hs

O_tpg_de:同I_tpg_de

O_tpg_data:rgb格式数据输出

2.2 时序设计

视频数据的有效区域如下图所示：视频数据在H_AcitiveSize和V_AcitiveSize同时有效时候有效

3 TPG源码

产生彩条、纯色、黑白棋方格测试数据，用于视频测试。

`timescale 1ns / 1ns//仿真时间刻度/精度 module uitpg ( input           I_tpg_clk, //系统时钟 input           I_tpg_rstn,//系统复位 input           I_tpg_vs,  //场同步输入 input           I_tpg_hs,  //行同步输入 input           I_tpg_de,  //视频数据有效输入   output          O_tpg_vs,  //场同步输出 output          O_tpg_hs,  //行同步输出 output          O_tpg_de,  //视频数据有效输出    output [23:0]   O_tpg_data //有效测试数据 ); reg         tpg_vs_r   = 1'b0; //对vs信号寄存 reg         tpg_hs_r   = 1'b0; //对hs信号寄存 reg [7 :0]  grid_data  = 8'd0; //grid棋方格寄存器 reg [23:0]  color_bar  = 24'd0;//RGB 彩条寄存器 reg [10:0]  dis_mode   = 11'd0;//显示模式寄存器 reg [7 :0]  r_reg      = 8'd0; //红寄存器 reg [7 :0]  g_reg      = 8'd0; //绿寄存器 reg [7 :0]  b_reg      = 8'd0; //蓝寄存器 always @(posedge I_tpg_clk)begin     tpg_vs_r <= I_tpg_vs; //对vs信号寄存一次     tpg_hs_r <= I_tpg_hs; //对hs信号寄存一次 end reg [11:0]v_cnt = 12'd0; //视频垂直方向，行计数器 reg [11:0]h_cnt = 12'd0; //视频水平方向，列计数器 //h_cnt计数器模块 always @(posedge I_tpg_clk)     h_cnt <= I_tpg_de ? h_cnt + 1'b1 : 12'd0; //计数行有效像素,当de无效，重置 h_cnt=0 //v_cnt计数器模块 always @(posedge I_tpg_clk)   if(I_tpg_vs) //通过vs产生同步复位     v_cnt <= 12'd0; //重置v_cnt=0   else     v_cnt <= ((!tpg_hs_r)&&I_tpg_hs) ? v_cnt + 1'b1 : v_cnt; //hs信号的上升沿，v_cnt计数，这种方式可以不管hs有效是高电平还是低电平的情况,v_cnt 视频垂直方向，行计数器，计数行数量 //显示模式切换 always @(posedge I_tpg_clk)    if(I_tpg_rstn==1'b0)     dis_mode <= 0;    else     dis_mode <= ((!tpg_vs_r)&&I_tpg_vs) ? dis_mode + 1'b1 : dis_mode; //grid_data发生器   always @(posedge I_tpg_clk)begin     grid_data <= ((v_cnt[4]==1'b1) ^ (h_cnt[4]==1'b1)) ? 8'h00 : 8'hff; //方格大小16*16，黑白交替 end //RGB彩条发生器 always @(posedge I_tpg_clk) begin     if(h_cnt==260)     color_bar   <=  24'hff0000;//红     else if(h_cnt==420)     color_bar   <=  24'h00ff00;//绿     else if(h_cnt==580)     color_bar   <=  24'h0000ff;//蓝     else if(h_cnt==740)     color_bar   <=  24'hff00ff;//紫     else if(h_cnt==900)     color_bar   <=  24'hffff00;//黄     else if(h_cnt==1060)     color_bar   <=  24'h00ffff;//青蓝     else if(h_cnt==1220)     color_bar   <=  24'hffffff;//白     else if(h_cnt==1380)     color_bar   <=  24'h000000;//黑     else     color_bar   <=  color_bar; end //测试图形输出 always @(posedge I_tpg_clk)begin     case(dis_mode[10:7])//截取高位，控制切换显示速度         4'd0:begin             r_reg <= 0;             b_reg <= 0;             g_reg <= 0;         end         4'd1:begin             r_reg <= 8'b11111111;               //白             g_reg <= 8'b11111111;             b_reg <= 8'b11111111;         end         4'd2,4'd3:begin//连续两个状态输出相同图形             r_reg <= 8'b11111111;              //红             g_reg <= 0;             b_reg <= 0;           end                  4'd4,4'd5:begin//连续两个状态输出相同图形             r_reg <= 0;                         //绿             g_reg <= 8'b11111111;             b_reg <= 0;         end                           4'd6:begin                r_reg <= 0;                         //蓝             g_reg <= 0;             b_reg <= 8'b11111111;         end         4'd7,4'd8:begin  //连续两个状态输出相同图形               r_reg <= grid_data;                 //方格             g_reg <= grid_data;             b_reg <= grid_data;         end                           4'd9:begin                r_reg <= h_cnt[7:0];                //水平渐变             g_reg <= h_cnt[7:0];             b_reg <= h_cnt[7:0];         end         4'd10,4'd11:begin //连续两个状态输出相同图形             r_reg <= v_cnt[7:0];                 //垂直渐变             g_reg <= v_cnt[7:0];             b_reg <= v_cnt[7:0];         end         4'd12:begin                r_reg <= v_cnt[7:0];                 //红垂直渐变             g_reg <= 0;             b_reg <= 0;         end         4'd13:begin                r_reg <= 0;                          //绿垂直渐变             g_reg <= h_cnt[7:0];             b_reg <= 0;         end         4'd14:begin                r_reg <= 0;                          //蓝垂直渐变             g_reg <= 0;             b_reg <= h_cnt[7:0];                     end         4'd15:begin                r_reg <= color_bar[23:16];           //彩条             g_reg <= color_bar[15:8];             b_reg <= color_bar[7:0];                     end                       endcase end assign O_tpg_data = {r_reg,g_reg,b_reg};//测试图形RGB数据输出 assign O_tpg_vs = I_tpg_vs;  //VS同步信号 assign O_tpg_hs = I_tpg_hs;  //HS同步信号 assign O_tpg_de = I_tpg_de;  //DE数据有效信号 endmodule

4 RTL仿真4.1 仿真激励文件

/*************视频测试仿真文件**************************************** *********************************************************************/ `timescale 1ns / 1ns//仿真时间刻度/精度 module video_test_tb; localparam SYS_TIME = 20;//系统时钟周期10ns reg I_vid_rstn,I_vid_clk; wire O_vid_vs,O_vid_hs,O_vid_de; wire [7:0]O_rgb_r,O_rgb_g,O_rgb_b; //例化video_test video_test video_test_inst ( .I_vid_clk(I_vid_clk), .I_vid_rstn(I_vid_rstn), .O_vid_vs(O_vid_vs), .O_vid_hs(O_vid_hs), .O_vid_de(O_vid_de), .O_rgb_r(O_rgb_r), .O_rgb_g(O_rgb_g), .O_rgb_b(O_rgb_b) ); //初始化 initial begin     I_vid_clk  = 1'b0;     I_vid_rstn = 1'b0;     #100;//产生100ns的系统复位     I_vid_rstn = 1'b1;//复位完成 end //产生仿真时钟 always #(SYS_TIME/2) I_vid_clk= ~I_vid_clk; endmodule

为简化仿真，这里模拟的视频格式为320*5 即一行的有效数据为350个像素，一帧数据有5行像素数据。

4.2 仿真结果