Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出，基于HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem方案，提供6套工程源码和技术支持

1、前言

Xilinx系列FPGA实现4K视频收发现状：
目前Xilinx系列FPGA实现提供了多种4K视频收发方案；对于纯FPGA而言，需要用到GT高速接口资源实现编解码，但要求K7及其以上系列FPGA，以HDMI2.0为例，Xilinx官方提供了基于Video PHY Controller为核心的一整套HDMI2.0收发方案，此外，还可以直接使用GT高速接口IP核配置为GT-HDMI编解码模式，或者配置为DP编解码模式；对于Zynq系列FPGA而言，既可以使用PL端的GT高速接资源做4K视频收发，也可以使用PS端的DP外设做4K视频收发；本博主擅长Xilinx系列FPGA实现HDMI2.0视频收发方案设计，本设计采用基于Video PHY Controller为核心的一整套HDMI2.0收发方案，最高支持3840x2160@60Hz；

工程概述

本设计基于Xilinx系列FPGA的GT高速接口实现HDMI2.0工程解决方案，最高支持4K@60Hz分辨率；视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认使用OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；

上述IP和IC需要SDK或者vitis配置，所以需要调用MicroBlaze或者Zynq软核；针对目前市面上主流的项目需求，本博客共设计了6套工程源码，详情如下：

现对上述6套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx–>Kintex7-xc7k325t‐2ffg676；视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认使用OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，输出分辨率配置为1280x720@30Hz，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频，输出分辨率配置为1280x720@60Hz；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；本设计使用GTX高速接口，适用于Xilinx-Kintex7系列FPGA实现HDMI2.0视频收发应用；

工程源码2

开发板FPGA型号为Xilinx–>Kintex7-UltraScale-xcku040-ffva1156-2-i；视频输入源为FPGA内部生成的动态彩条视频，因为我这里的板子没有摄像头摄入接口，彩条视频输出分辨率配置为1280x720@60Hz，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频，输出分辨率配置为1280x720@60Hz；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；本设计使用UltraScale-GTH高速接口，适用于Xilinx-Kintex7-UltraScale系列FPGA实现HDMI2.0视频收发应用；

工程源码3

开发板FPGA型号为Xilinx–>Kintex7-UltraScale+ xcku3p-ffva676-2-i；视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认使用OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，输出分辨率配置为1280x720@30Hz，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频，输出分辨率配置为1280x720@60Hz；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；本设计使用UltraScale-GTY高速接口，适用于Xilinx-Kintex7-UltraScale+系列FPGA实现HDMI2.0视频收发应用；

工程源码4

开发板FPGA型号为Xilinx-Zynq UltraScale+ xczu4ev-sfvc784-2-i；视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认使用OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，输出分辨率配置为1280x720@30Hz，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频，输出分辨率配置为1280x720@60Hz；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；本设计使用UltraScale-GTH高速接口，适用于Xilinx-Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA实现HDMI2.0视频收发应用；

工程源码5

开发板FPGA型号为Xilinx-Zynq UltraScale+ xczu7ev-2ffvc156；视频输入源为FPGA内部生成的动态彩条视频，因为我这里的板子没有摄像头摄入接口，彩条视频输出分辨率配置为1280x720@60Hz，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频，输出分辨率配置为1280x720@60Hz；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；本设计使用UltraScale-GTH高速接口，适用于Xilinx-Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA实现HDMI2.0视频收发应用；

工程源码6

开发板FPGA型号为Xilinx–>Xilinx-Zynq UltraScale+ xczu15eg-ffvb1156-2-i；视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认使用OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，输出分辨率配置为1280x720@30Hz，然后采集摄像头视频；然后送入Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转 AXI4-Stream视频流；然后送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存；视频从VDMA读出后送入Xilinx官方的AXI4-Stream Data FIFO IP核实现视频缓冲；然后送入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核实现HDMI2.0视频编码；然后送入Xilinx官方的Video PHY Controller IP核实现并串转换，并输出高速差分的HDMI2.0视频，输出分辨率配置为1280x720@60Hz；HDMI2.0视频再送入板载的DP159或其他同等功能的驱动芯片，以增强高速信号的输出驱动能力；最后使用HDMI2.0线缆连接至显示器即可输出显示采集的视频；本设计使用UltraScale-GTH高速接口，适用于Xilinx-Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA实现HDMI2.0视频收发应用；

本博客详细描述了Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网以及其他开源免费获取渠道等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；部分模块源码转载自上述网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们删除；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈，说我的博客文章太多了，乱花渐欲迷人，自己看得一头雾水，不方便快速定位找到自己想要的项目，所以本博文置顶，列出我目前已有的所有项目，并给出总目录，每个项目的文章链接，当然，本博文实时更新。。。以下是博客地址：
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我已有的 GT 高速接口解决方案

我的主页有FPGA GT 高速接口专栏，该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程，其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建，GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建，GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建，GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建；以下是专栏地址：
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我已有的FPGA图像处理方案

我的主页目前有FPGA图像处理专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA图像处理方案，包括图像缩放、图像识别、图像拼接、图像融合、图像去雾、图像叠加、图像旋转、图像增强、图像字符叠加等等；以下是专栏地址：
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3、详细设计方案

设计框图

本设计使用的是Xilinx官方推荐的方案，该方案大致如下：

具体到本设计的工程详细设计方案框图如下：

硬件设计架构

4K HDMI2.0 硬件设计架构如下：

本博主提供FPGA HDMI2.0视频收发的参考原理图，为PDF版本，里面包含了详细的电路设计，可节省你的硬件开发时间，如下：

FPGA开发板

本UP主有下列FPGA开发板均可实现4K@60Hz视频 HDMI2.0的收发，本博客仅仅是介绍了其中Zynq UltraScale+系列的开发板实现方案，需要其他方案的朋友可以在博客末尾联系到本UP，现有开发板方案如下：
1–>Xilinx Kintxe7 FPGA开发板；
2–>Xilinx Kintxe7 UltraScale FPGA开发板；
3–>Xilinx Kintxe7 UltraScale+ FPGA开发板；
4–>Zynq UltraScale+ MPSoC FPGA开发板；
关于本博客使用的这款开发板详细信息，请参考我之前的博客，对这块开发板感兴趣的朋友可以咨询本UP获得；博客链接如下：
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输入Sensor之–>OV5640摄像头+动态彩条

输入Sensor是本工程的输入设备，其一为OV5640摄像头，此外本博主在工程中还设计了动态彩条模块，彩条由FPGA内部逻辑产生，且是动态移动的，完全可模拟Sensor，输入源选择Sensor还是彩条，通过Sensor模块的顶层参数配置，默认选择Sensor输入；Sensor模块如下：

SENSOR_TYPE=0；则输出OV5640摄像头采集的视频；
SENSOR_TYPE=1；则输出动态彩条的视频；

OV5640摄像头需要i2c初始化配置，本设计配置为1280x720@30Hz分辨率，本设计提供纯verilog代码实现的i2c模块实现配置功能；此外，OV5640摄像头还需要图像采集模块实现两个时钟输出一个RGB565的视频转换为一个时钟输出一个RGB888视频，本设计提供纯verilog代码实现的图像采集模块实现配置功能；动态彩条则由FPGA内部逻辑实现，由纯verilog代码编写；将OV5640摄像头配置采集和动态彩条进行代码封装，形成helai_OVsensor.v的顶层模块，整个模块代码架构如下：

将模块顶层直接拖入Block Design设计中如下：

Video In To AXI4-Stream

Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现Native视频转AXI4-Stream视频流，功能十分简单，不需要软件配置，Block Design设计中如下：

VDMA 图像缓存

采集视频送入Xilinx官方的VDMA IP核实现视频三帧缓存，功能十分简单，VDMA需要Vitis或者SDK软件配置，Block Design设计中如下：

HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem

调用Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核做4K音视频的编码工作，同时编码4K视频流和音频流并输出3路AXI4-Stream流和DDC控制信号；HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem配置如下：

该IP需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；
值得注意的是，该IP使用的GT高速接口PLL类型要根据TX端输入的参考时钟而定，具体要结合你的原理图设计考虑，并非固定配置，详情可咨询博主；

Video PHY Controller

Video PHY Controller可做HDMI2.0视频的接收和发送的解串与串化；对于HDMI2.0视频接收而言，可将原来高速串行信号解串为3路20bit的AXI4-Stream并行数据；然后调用Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem IP核做4K超清视频的解码工作，同时解码出AXI4-Stream流的音频流和视频流；对于HDMI2.0视频发送而言，可将原3路20bit的AXI4-Stream并行数据串化为高速串行信号，输出的差分视频数据信号直接从FPGA的GT高速BANK输出，差分时钟信号直接从FPGA的LVDS高速BANK输出；以HDMI2.0收发模式为例，Video PHY Controller配置如下：

该IP需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；

vivado逻辑工程源码架构

工程源码架构包括vivado Block Design逻辑设计和vitis SDK软件设计；
以工程源码4为例，Block Design逻辑设计架构截图如下：

以工程源码4为例，综合后的源码架构如下：

vitis软件工程源码架构

Vitis软件代码如下：

！！！注意
！！！注意
！！！注意
代码为了兼容不同板卡的外围IC，所以代码显得冗余复杂，图中标记的为必须使用到的代码，大多数保持默认即可；
工程源码1使用的是vivado2019.1的SDK；

4、工程源码1详解–>Kintex7-325T版本

开发板FPGA型号：Xilinx–>Kintex7-xc7k325t‐2ffg676；
FPGA开发环境：Vivado1919.1；
输入：OV5640或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率1280x720@60Hz；
图像缓存方案：Xilinx官方VDMA方案，3帧缓存；
HDMI2.0发送方案：Xilinx系列FPGA GT高速接口方案；
使用GT高速接口类型：GTX高速接口；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程源码2详解–>KU040版本

开发板FPGA型号：Xilinx–>Kintex7-UltraScale-xcku040-ffva1156-2-i；
FPGA开发环境：Vivado2022.2；
输入：OV5640或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率1280x720@60Hz；
图像缓存方案：Xilinx官方VDMA方案，3帧缓存；
HDMI2.0发送方案：Xilinx系列FPGA GT高速接口方案；
使用GT高速接口类型：UltraScale-GTH高速接口；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

6、工程源码3详解–>KU3P版本

开发板FPGA型号：Xilinx–>Kintex7-UltraScale+ xcku3p-ffva676-2-i；
FPGA开发环境：Vivado2022.2；
输入：OV5640或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率1280x720@60Hz；
图像缓存方案：Xilinx官方VDMA方案，3帧缓存；
HDMI2.0发送方案：Xilinx系列FPGA GT高速接口方案；
使用GT高速接口类型：UltraScale-GTY高速接口；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

7、工程源码4详解–>ZU4EV版本

开发板FPGA型号：Xilinx-Zynq UltraScale+ xczu4ev-sfvc784-2-i；
FPGA开发环境：Vivado2022.2；
输入：OV5640或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率1280x720@60Hz；
图像缓存方案：Xilinx官方VDMA方案，3帧缓存；
HDMI2.0发送方案：Xilinx系列FPGA GT高速接口方案；
使用GT高速接口类型：UltraScale-GTH高速接口；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

8、工程源码5详解–>ZU7EV版本

开发板FPGA型号：Xilinx-Zynq UltraScale+ xczu7ev-2ffvc156；
FPGA开发环境：Vivado2022.2；
输入：OV5640或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率1280x720@60Hz；
图像缓存方案：Xilinx官方VDMA方案，3帧缓存；
HDMI2.0发送方案：Xilinx系列FPGA GT高速接口方案；
使用GT高速接口类型：UltraScale-GTH高速接口；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

9、工程源码6详解–>ZU15EG版本

开发板FPGA型号：Xilinx–>Xilinx-Zynq UltraScale+ xczu15eg-ffvb1156-2-i；
FPGA开发环境：Vivado2022.2；
输入：OV5640或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率1280x720@60Hz；
图像缓存方案：Xilinx官方VDMA方案，3帧缓存；
HDMI2.0发送方案：Xilinx系列FPGA GT高速接口方案；
使用GT高速接口类型：UltraScale-GTH高速接口；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx系列FPGA视频采集转HDMI2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

10、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

11、上板调试验证并演示

准备工作

FPGA开发板，推荐使用本博的开发板；
OV5640摄像头，没有则选择彩条输入；
HDMI显示器或者电视；
HDMI线；
以工程源码4为例，开发板连接如下：

视频采集转HDMI2.0输出演示

视频采集转HDMI2.0输出演示如下：

12、福利：工程源码获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：