基于FPGA的DVP接口实现
一、DVP简介
DVP接口（Digital Video Port）是一种用于数字视频传输的并行接口，常见于嵌入式系统和图像传感器中。DVP直接传输数字视频信号，减少模数转换需求，适合中低速视频传输。数据线：通常为8、10、12或16根数据线，用于传输像素数据。控制信号包括像素时钟（PCLK）、行同步（HSYNC 或 HREF）信号、场同步（VSYNC）等，用于同步数据传输。
DVP和VGA时序有相似之处，都使用行同步（HSYNC）和场同步（VSYNC）信号来同步图像数据。区别在于DVP是数字接口，直接传输数字像素数据，包含像素时钟（PCLK）和数据线；VGA是模拟接口，传输模拟RGB信号，需数模转换 。
本例介绍的DVP行同步信号采用 HREF，用于 ov5640 DVP数据接收采集。
（1）行时序
1.高电平有效：HREF为高电平时，表示正在传输有效像素数据。
2.像素传输：在HREF高电平期间，每个PCLK周期传输一个像素数据。
3.行结束：HREF从高电平变为低电平，标志一行数据传输完成。
4.像素数据周期：ov5640 DVP每个有效数据为8位，数据采集时需要根据输出格式进行调整，输出RGB565格式需要两个像素时钟才能完成传输，先传输高8位，后第8位。
（2）场时序
1.同步脉冲：VSYNC产生高电平脉冲（取决于极性，ov5640为高）表示新一帧开始。
2.有效数据期：新一帧开始一段时间后，每行数据通过HSYNC或HREF信号同步。
3.帧结束：一帧数据传输完成后，VSYNC再次产生脉冲，标志下一帧的开始。
二、Verilog 实现
（1）设计要求
1. 对 ov5640 输出RGB565格式的图像数据进行接收
2. 接收数据输出给存储器（如rom、fifo、ddr）进行存储，包含必要输出端口
（2）设计要点
1. 场同步：每当 vsync 产生一次上升沿即代表新一帧的开始（上升沿通过打拍判断）
2. 行同步：href 的每段高电平代表一行有效数据
3. 数据格式：一个pclk像素时钟传8位，而RGB565一个像素16位，需要两个pclk像素时钟才传输完一个像素数据，因此需要进行先缓存高8位数据，并在接收第8位时拼接数据并输出
4. 数据有效信号：高电平时代表当前RGB565数据有效，可供后续存储器作写使能使用
（3）模块代码
`timescale 1ns / 1ps
module DVP_ctrl#(
parameter PIC_CNT_MAX = 4'd10 //舍弃前10帧不稳定图像数据
)(
input wire rst_n,
input wire ov5640_pclk, //摄像头像素时钟
input wire ov5640_href, //摄像头行同步信号
input wire ov5640_vsync, //摄像头场同步信号
input wire [7:0] ov5640_data, //摄像头场数据输入
output reg [15:0] RGB565_data, //图像数据输出（RGB565格式）
output wire data_valid //数据有效信号（给存储器的写使能信号）
);
reg pix_flag; //一像素数据结束标志位
wire pic_flag; //一帧图像结束标志位
reg pic_valid; //帧有效标志位
reg [3:0] pic_cnt; //帧计数器
reg [7:0] r_ov5640_data; //输入数据缓存
reg ov5640_vsync_delay; //场同步信号打拍
reg pix_flag_delay; //一像素数据结束标志位打拍
//***************************** 场同步 ****************************//
//场同步信号打拍（用于检测vsync上升沿）
always@(posedge ov5640_pclk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
ov5640_vsync_delay <= 1'b0;
else
ov5640_vsync_delay <= ov5640_vsync;
//一帧图像结束标志位（vsync上升沿产生一次）
assign pic_flag = ((ov5640_vsync_delay == 1'b0) &&
(ov5640_vsync == 1'b1)) ? 1'b1 : 1'b0;
//前几帧计数，计满产生帧有效信号
always @(posedge ov5640_pclk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
pic_cnt <= 4'd0;
pic_valid <= 1'b0;
end else if (pic_flag) begin
if (pic_cnt == PIC_CNT_MAX) begin
pic_cnt <= 4'd0;
pic_valid <= 1'b1;
end else
pic_cnt <= pic_cnt + 4'd1;
end
end
//***************************** 行同步 ****************************//
//行同步
always @(posedge ov5640_pclk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
pix_flag <= 1'b0;
r_ov5640_data <= 8'b0;
RGB565_data <= 8'b0;
end else if (ov5640_href) begin
if (!pix_flag) begin
r_ov5640_data <= ov5640_data; //先缓存高8位
pix_flag <= 1'b1;
end else begin
RGB565_data <= {r_ov5640_data , ov5640_data};//后拼接低8位输出
pix_flag <= 1'b0;
end
end
end
//一像素数据结束标志位打拍（用于产生像素数据有效信号）
always@(posedge ov5640_pclk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
pix_flag_delay <= 1'b0;
else
pix_flag_delay <= pix_flag;
//像素数据有效信号
assign data_valid = pic_valid & pix_flag_delay;
endmodule
（4）仿真代码
仿真就是给DVP模块模拟ov5640产生的图像数据，我用的deepseek写了一版，但经过测试发现不能直接使用，于是根据它的框架自己进行了一些修改，可以通过参数设置模拟图像数据的参数（仿真多少帧、一帧多少行、一行多少像素）。以下模拟输出了10帧、一帧8行数据、一行16个像素点，同时DVP舍去前3帧图像数据。
`timescale 1ns / 1ps
module DVP_data_gen_tb();
reg pclk; //像素时钟 (10ns周期)
reg rst_n; //复位信号 (低电平有效)
reg vsync; //场同步信号
reg href; //行同步信号
reg [7:0] data; //像素数据 (8bit)
wire data_valid; //数据有效信号
wire [15:0] RGB565_data; //输出RGB565格式数据 (16bit)
//模拟OV5640视频数据生成
parameter WIDTH = 16, //宽（一行多少个像素）
HIGTH = 8, //高（一帧多少行数据）
FRAME = 10; //帧（模拟发送多少帧数据）
integer pixel_cnt = 0, //像素计数器
row_cnt = 0, //行计数器
frame_cnt = 0; //帧计数器
//时钟(10ns周期)
always #5 pclk = ~pclk;
initial begin //初始化复位
pclk = 0;
rst_n = 0; #20;
rst_n = 1;
end
always @(posedge pclk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
vsync <= 0;
href <= 0;
data <= 0;
pixel_cnt <= 0;
row_cnt <= 0;
frame_cnt <= 0;
end else begin
//******************************************模拟场同步信号 (VSYNC)
if (pixel_cnt == 0 && row_cnt == 0) begin
vsync <= 1; // 一帧开始，VSYNC拉高一个时钟周期
end else begin
vsync <= 0; // VSYNC拉低
end
//******************************************模拟行同步信号 (HREF)
if (row_cnt < HIGTH*10 + 10) begin//一帧模拟HIGTH行，多余行模拟行与行之间的输出间隔
if (row_cnt <10 || (row_cnt % 10)!=0)
row_cnt <= row_cnt + 1;
else begin
if (pixel_cnt < WIDTH) begin
href <= 1; //HREF高电平表示行数据传输
data <= data + 1; //像素数据每次自增1
pixel_cnt <= pixel_cnt + 1;
end else begin
//一行结束
href <= 0; //HREF低电平表示行结束
pixel_cnt <= 0;
row_cnt <= row_cnt + 1; //行计数器加1
end
end
end else begin//一帧结束
href <= 0;
data <= 0;
row_cnt <= 0; //重置行计数器
frame_cnt <= frame_cnt + 1; //帧计数器加1
end
//******************************************模拟FRAME帧后结束测试
if (frame_cnt == FRAME) begin
$finish; // 结束仿真
end
end
end
DVP_ctrl #(
.PIC_CNT_MAX (4'd3) //舍去前三帧图像
) DVP_ctrl (
.ov5640_pclk (pclk),
.rst_n (rst_n),
.ov5640_vsync (vsync),
.ov5640_href (href),
.ov5640_data (data),
.data_valid (data_valid),
.RGB565_data (RGB565_data)
);
endmodule
三、仿真波形
完整波形：可以看到一共发送了10帧数据，同时data_valid在前三帧保持为0，后面才开始变化，说明前三帧数据被成功舍去。
一帧波形：1帧包含8行，1行有16个8位数据。
一行波形：一个RGB565像素数据对应两个8位数据，可以看到每接收2个数据就相应拼接输出1个RGB565数据，同时data_valid数据有效信号与数据同步产生。
