14图像边缘检测的sobel_ctrl控制模块

一设计功能

计算得到的dxy,再通过和阈值比较大小，输出po_sum作为VGA的输入，在显示器器上显示图像的轮廓。

二设计思路

根据前一篇博客对sobel算法的介绍，先通过FIFO的双流水线操作采集到三行三列的九个数，再得到dx  和dy，再求dx 和dy的绝对值和给Dxy,最后把Dxy 和阈值比较大小得到输出po_sum。

（一）双FIFO的流水线操做

根据FIFO的时序图：写的读写控制代码如下

注意在实际过程中加一个wr_cnt来计算数据的个数。一般先设置一个FIFOIP核，再自己写一个控制程序。根据上面的读写时序，控制程序如下

module fifo_ctrl(

input      wire              clk,

input      wire              rst_n

);

reg                              wr_en;

reg         [8:0]              wr_cnt;

reg         [7:0]              wr_data;

wire                                   full,empty;

reg                              rd_en;

reg         [1:0]              empty_dly;

reg                              read_start;

reg                [8:0]              rd_cnt;

wire              [7:0]              rd_data;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

wr_en <= 1'b0;

end

else if (wr_cnt == 'd0) begin

wr_en <= 1'b1;

end

else if (wr_cnt== 'd257) begin

wr_en <= 1'b0;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

wr_cnt <= 'd0;

end

else if (wr_cnt != 'd257) begin

wr_cnt <= wr_cnt + 1'b1;

end

end

always @(posedge clk or  negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

wr_data <='d0;

end

else if (wr_en == 1'b1) begin

wr_data <= wr_data + 1'b1;

end

else begin

wr_data <= 'd0;

end

end

always @(posedge clk) begin

empty_dly <= {empty_dly[0],empty};//shift reg empty_dly == 2'b10 negedge

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

read_start <= 1'b0;

end

else if (empty_dly == 2'b10) begin

read_start <= 1'b1;

end

else begin

read_start <= 1'b0;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

rd_en <= 1'b0;

end

else if(rd_cnt == 256)begin

rd_en <= 1'b0;

end

else if (read_start == 1'b1) begin

rd_en <= 1'b1;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

rd_cnt <= 'd0;

end

else if (rd_en == 1'b1) begin

rd_cnt <= rd_cnt + 1'b1;

end

end

asfifo_w256x8_r256x8 fifo_inst (

.wr_clk(clk), // input wr_clk

.rd_clk(clk), // input rd_clk

.din(wr_data), // input [7 : 0] din

.wr_en(wr_en), // input wr_en

.rd_en(rd_en), // input rd_en

.dout(rd_data), // output [7 : 0] dout

.full(full), // output full

.empty(empty) // output empty

);

endmodule

　　　　　1.　sobel_ctrl控制模块的关键点一：双FIFO流水线操作

有了上面一个FIFO的读写控制代码基础，现在来实现怎么设计实现双FIFO的流水线操作

/根据时序图写代码时,一定得懂设计思路

//FIFO1的写使能怎么产生,写数据来源于什么

//FIFO2的写使能怎么产生,写数据来源于什么

//读信号怎么产生,读出的数据给谁,读信号有效才加

来回答上面的问题：

第一部分：写使能信号的产生

FIFO1的写使能信号：在0行时，来一个pi_flag 就拉高。对于2~84行的数据，利用wr_en1_pre1 和wr_en1_pre2进行打一拍操作，在2~84行，只要有pi_flag 就拉高wr_en1_pre2。

FIFO2的写使能怎么产生：在1~84行且来一个pi_flag 就拉高wr_en2

第二部分：写数据的产生

FIFO1:在第0行，fifo1的数据来源于串口接收端。对于2~84行的数据，FIFO1的数据来源于FIFO2的读出端数据。

FIFO2:在1~84行，FIFO2的数据来源于串口的数据(来一个pi_flag)

第三部分：读信号和读出的数据输出给谁

对于FIFO1和FIFO2的读出端数据dout1和dout2.对于2~85行的数据，在读信号的控制下，读出后直接在加标志信号flag_add控制下，将FIFO1 和FIFO2的读出端数据和串口接收端的数据加起来输出给PO_SUM

读信号rd_en，在大于第二行，且来一个pi_flag 就拉高rd_en

根据上面双FIFO流水线设计思路的要点，编写代码如下：

parameter VALUE = 10 ; //阈值

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

wr_en1 <= 1'b0;

end

else if (cnt_row == 'd0) begin

wr_en1 <= pi_flag;

end

else begin

wr_en1 <= wr_en1_pre1;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

wr_en1_pre2 <= 1'b0;

end

else if (cnt_row >=2 && cnt_row <=198 && pi_flag == 1'b1) begin

wr_en1_pre2 <= 1'b1;

end

else begin

wr_en1_pre2 <= 1'b0;

end

end

always @(posedge clk) begin

wr_en1_pre1 <= wr_en1_pre2;

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

rd_en <= 1'b0;

end

else if (cnt_row >=2 && cnt_row <=199 && pi_flag == 1'b1) begin

rd_en <= 1'b1;

end

else begin

rd_en <= 1'b0;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

data_in1 <= 'd0;

end

else if (cnt_row == 'd0) begin

data_in1 <= pi_data;

end

else  begin//if (cnt_row >=2 && cnt_row <=84)

data_in1 <= dout2;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n ) begin

if (rst_n  == 1'b0) begin

// reset

wr_en2 <= 1'b0;

end

else if (cnt_row >=1 && cnt_row <=198 && pi_flag == 1'b1) begin

wr_en2 <= 1'b1;

end

else begin

wr_en2 <= 1'b0;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

data_in2 <= 'd0;

end

else if ( cnt_row >=1 && cnt_row <=198) begin

data_in2 <= pi_data;

end

end

always @(posedge clk) begin

add_flag <= flag_shift;

end

2.　sobel_ctrl控制模块的关键点二：怎么采集三行三列的9个数

关键是怎么采集三行三列的9个数，我的想法是，比如第零行用FIFO1存储，然后再加三个寄存器，打拍操作。每来一个串口接收标志信号就送FIFO1的数据到如寄存器1中，然后是寄存器2，再是寄存器3。

怎么采集三行三列的9个数

//注意打拍的寄存器越往后是越早的数据

//如pi_data是最新的数据,dout1_tt是前两个数据

reg flag_shift;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0) begin

// reset

flag_shift <= 1'b0;

end

else begin

flag_shift <= rd_en;

end

end

//打拍操作,三个寄存器在标志信号下打一拍存一个数

always@(posedge clk)begin

if(flag_shift == 1'b1)begin

{dout1_tt,dout1_t} <= {dout1_t,dout1};

{dout2_tt,dout2_t} <= {dout2_t,dout2};

{rx_data_tt,rx_data_t}<={rx_data_t,pi_data};

end

end

3.　sobel_ctrl控制模块的关键点三：怎么得到横向的DX和纵向的DY？

always @(posedge clk) begin

add_flag <= flag_shift;

end

//对这三行三列的数进行加减乘运算

//((dout2-dout2_tt)<<1)实现乘2操作

reg [7:0]dx;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

dx<=0;

else if(add_flag)

dx<=(dout1-dout1_tt)+((dout2-dout2_tt)<<1)+(pi_data-rx_data_tt);

//对这三行三列的数进行加减乘运算

reg [7:0]dy;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

dy<=0;

else if(add_flag)

dy<=(dout1_tt-rx_data_tt)+((dout1_t-rx_data_t)<<1)+(dout1-pi_data);

4.　sobel_ctrl控制模块的关键点四：怎么得到横向的DX和纵向的DY的绝对值和？

利用原码反码，补码的关系。即最高位为符号位，1表示负数，绝对值为取反加一。0表示正数，绝对值等于本身。值得注意的是进行绝对值前，利用flag_d_pre，flag_d， flag_abs延迟三个时钟周期，打了三拍。再求绝对值的和，又利用flag_dxy打了一拍。

//对dx和dy进行绝对值求和

//补码原码反码的关系

//flag_d_pre

reg flag_d_pre;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

flag_d_pre<=0;

else if(cnt_row>=2 && cnt_col>=2 && pi_flag)

flag_d_pre<=1;

else

flag_d_pre<=0;

//flag_d;

reg flag_d;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

flag_d<=0;

else

flag_d<=flag_d_pre;

//falg_abs

reg flag_abs;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

flag_abs<=0;

else

flag_abs<=flag_d;

//abs_dx

reg [7:0]abs_dx;

reg [7:0]abs_dy;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(!rst_n)

abs_dx<=0;

else if(flag_abs & dx[7]==1'b1)

abs_dx<=(~dx)+1;

else if(flag_abs & dx[7]==1'b0)

abs_dx<=dx;

//abs_dy

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(!rst_n)

abs_dy<=0;

else if(flag_abs & dy[7]==1'b1)

abs_dy<=(~dy)+1;

else if(flag_abs & dy[7]==1'b0)

abs_dy<=dy;

//取了绝对值进行打拍

reg flag_dxy;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

flag_dxy<=0;

else

flag_dxy<=flag_abs;

reg [7:0]dxy;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

dxy<=0;

else if(flag_dxy)

dxy<=abs_dy+abs_dx;

5.　sobel_ctrl控制模块的关键点五：怎么阈值比较得到边缘，大于阈值白色显示，否则黑色？

//判断相对于阈值大小输出不同的图像

reg flag_rgb;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

flag_rgb<=0;

else

flag_rgb<=flag_dxy;

//rgb

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(!rst_n)

po_sum<=0;

else if(flag_rgb & dxy>=VALUE)

po_sum<=8'hff;

else if(flag_rgb & dxy<=VALUE)

po_sum<=8'h00;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(rst_n==0)

po_flag<=0;

else

po_flag<=flag_rgb;

三，仿真验证

到这里，终于把图像边缘检测的算法关键点讲清楚了，而我的仿真是先利用80X4的数据，即用sublime的重复语句产生一个0~320的数，然后再为仿真的输入，进行波形的验证。

在sublime中利用敲出{:08b},然后再选中这个代码，再右键选择重复代码，之后在设置起始位和停止位及步长，，敲回车即可。

如0~320,1

RAM一般最大为9K，即1024X9个数据。

刚开始我写的仿真程序包含了串口发送有点复杂，所以在这里提高vga_ram模块的仿真，两者很相似，只需要改哈端口就行，设计思想相同。把上面产生的数据保存在一个txt文件里，在仿真里用mem读取这个文本，再用一个task函数把这数据赋值给我们功能模块vga_ram的输入pi_data，如程序所写。b第二个注意点，如要产生300X3的数据，不用写一个矩阵的仿真程序，直接并转串，用一个900X1的数据表示，结果是一样，还很方便。

`timescale 1ns / 1ps

module tb_vga_ram;

// Inputs

reg sclk;

reg rst_n;

reg pi_flag;

reg [7:0]pi_data;

reg [7:0] mem[899:0];

// Outputs

wire hsync ;

wire vsync  ;

wire [7:0]vga_rgb;

vga_ram  inst_vga_ram (

.clk     (sclk),

.rst_n   (rst_n),

.pi_flag (pi_flag),

.pi_data (pi_data),

.hsync   (hsync),

.vsync   (vsync),

.vga_rgb (vga_rgb)

);

// Instantiate the Unit Under Test (UUT)

initial begin

// Initialize Inputs

sclk = 0;

rst_n = 0;

pi_flag=0;

pi_data=0;

// Wait 100 ns for global reset to finish

#100;

rst_n =1;

// Add stimulus here

end

initial begin

$readmemb("./data.txt",mem);

end

always #10 sclk = ~sclk;

always #100 pi_flag = ~pi_flag;

initial begin

#200;

rx_byte();

end

task rx_byte;

integer i;

integer j;

begin

for(j=0;j<900;j=j+1)begin

for (i=0;i<900;i=i+1)begin

pi_data=mem[i];

#199;

end

end

end

endtask

endmodule

波形如下：