FPGA实现VGA转HDMI功能的IP接口与详细使用指南

FPGA实现VGA转HDMI功能的IP，配详细的接口和使用说明

先来点硬核的------VGA接口那堆行场同步信号和模拟RGB，在FPGA里处理起来简直就是数字电路基础考试题。咱们今天不整虚的，直接拿Verilog搞个实时转换IP，把640x480@60Hz的VGA信号怼进HDMI显示器。

看这个接口定义先：

verilog 复制代码

module vga2hdmi (
    input wire vga_clk,        // 25.175MHz原VGA时钟
    input wire vga_hsync,      // 行同步低有效
    input wire vga_vsync,      // 场同步低有效
    input wire [7:0] vga_r,    // 8位红色分量
    input wire [7:0] vga_g,
    input wire [7:0] vga_b,
    
    output wire hdmi_clk,      // HDMI TMDS时钟
    output wire [3:0] hdmi_d   // TMDS差分对
);

// 搞个DCM生成HDMI需要的像素时钟5倍频
clock_gen u_clkgen(
    .clk_in(vga_clk),
    .clk_x5(hdmi_clk)
);

// 颜色空间转换直接查表，省得算浮点
wire [9:0] tmds_r, tmds_g, tmds_b;
color_conv u_conv_r(.data(vga_r), .tmds(tmds_r));
color_conv u_conv_g(.data(vga_g), .tmds(tmds_g));
color_conv u_conv_b(.data(vga_b), .tmds(tmds_b));

// TMDS编码器三连击
tmds_encoder u_enc_r(
    .clk(vga_clk),
    .hsync(vga_hsync),
    .vsync(vga_vsync),
    .data(tmds_r),
    .channel(hdmi_d[2])
);

tmds_encoder u_enc_g(/* 同上 */);
tmds_encoder u_enc_b(/* 同上 */);

// 控制通道塞点固定值
assign hdmi_d[3] = 1'b1; 
endmodule

重点在TMDS编码这块，用查表代替算法能省不少逻辑单元。比如颜色转换模块：

verilog 复制代码

module color_conv(
    input [7:0] data,
    output [9:0] tmds
);
// 简单粗暴的伽马校正LUT
reg [9:0] conv_table[0:255];
initial $readmemh("gamma_lut.hex", conv_table);
assign tmds = conv_table[data];
endmodule

使用时注意三点：

VGA时钟必须精确到25.175MHz±0.5%
HDMI输出端需要外接DDC电平转换芯片
同步信号必须做两时钟域处理

实测中发现个坑：VGA消隐期间得手动插入同步包。在编码器里加个状态机：

verilog 复制代码

always @(posedge clk) begin
    case(state)
        ACTIVE: if(!vga_de) state <= SYNC;
        SYNC: begin
            tmds_out <= 10'b1101010101; // HDMI同步控制符号
            if(vga_de) state <= ACTIVE;
        end
    endcase
end

调试时用Signaltap抓波形，重点看HSYNC到TMDS编码的延迟是否在5个像素周期内。这玩意儿在Artix-7上跑起来资源占用大概15%左右，关键路径在时钟域交叉那块。