FPGA+MCU實(shí)現(xiàn)VGA圖象信號(hào)發(fā)生器

　　時(shí)鐘頻率：25.175MHz(像素輸出的頻率)

　　行頻： 31469Hz

　　場(chǎng)頻： 59.94Hz(每秒圖像刷新頻率)

　　圖象信號(hào)顯示的顏色種類與表示R、G、B三基色的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)有關(guān)，表1列出了8種顏色的編碼方式。

　　4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 圖像信號(hào)產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)

　　產(chǎn)生圖像信號(hào)的核心器件采用Altera公司的Cyclone FPGA芯片EP1C3T144C8N。它具有多達(dá)20060個(gè)邏輯單元。最大用戶I/O數(shù) 104個(gè)。器件中M4K存儲(chǔ)塊提供288kbit存儲(chǔ)容量，能夠被配置來(lái)支持多種操作模式，包括RAM、ROM、FIFO及單口和雙口模式。

　　Cyclone器件具有高級(jí)外部存儲(chǔ)器接口，允許設(shè)計(jì)者將外部單數(shù)據(jù)率(SDR)SDRAM，雙數(shù)據(jù)率(DDR)、SDRAM和 DDR FCRAM 器件集成到復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不會(huì)降低數(shù)據(jù)訪問的性能。并且還具有兩個(gè)可編程鎖相環(huán)(PLL)和八個(gè)全局時(shí)鐘線，能提供時(shí)鐘管理和頻率合成，實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)功能。根據(jù)VGA顯示原理，圖象信號(hào)產(chǎn)生器的主要功能是：產(chǎn)生時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)HS、VS及VGA彩色圖象編碼信號(hào)，同時(shí)在正確的時(shí)序控制下，輸出ROM中的象素?cái)?shù)據(jù)至顯示器的VGA接口，進(jìn)行圖象顯示。FPGA內(nèi)部電路原理結(jié)構(gòu)如圖4。本文利用Altera公司QuartusⅡ6.0開發(fā)平臺(tái)，遵循自頂向下的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)各功能模塊，采用VHDL語(yǔ)言對(duì)FPGA器件編程，產(chǎn)生HS和VS掃描時(shí)序信號(hào)及各種圖象信號(hào)。

　　VGA時(shí)序信號(hào)是圖象顯示的關(guān)鍵，行場(chǎng)掃描時(shí)序的產(chǎn)生，是利用邏輯編程的方法實(shí)現(xiàn)的，即用VHDL編寫分頻器，計(jì)時(shí)器模塊，來(lái)獲得T1、T2、T3、T4時(shí)序。當(dāng)輸出數(shù)字、彩條信號(hào)和棋盤格圖象時(shí)，由外部12M有源晶振提供時(shí)鐘輸入，其中行頻HS：12MHZ ÷13÷29=31830Hz、場(chǎng)頻VS：31830Hz÷480×0.93=61.67Hz、T1=1/31830Hz×4/29=25.96us、T2=1/31830Hz×5/29=6.04us、T3為兩個(gè)行周期(T1+T2)，T4為480個(gè)行周期。

　　圖象信號(hào)包括數(shù)字、彩條、棋盤格，和ROM中定制的圖形等。數(shù)字信號(hào)和彩條信號(hào)的產(chǎn)生是按行場(chǎng)方向?qū)⑵聊桓鬟M(jìn)行8等分，相當(dāng)于一個(gè)8×8的點(diǎn)陣，在對(duì)應(yīng)位置顯示相應(yīng)顏色即可獲得所需圖像信號(hào);棋盤格信號(hào)是將橫彩條和豎彩條相異或獲得。ROM中定制的較為復(fù)雜的彩色圖像，需采用像素點(diǎn)輸出，即將圖像各像素點(diǎn)的信息存儲(chǔ)于ROM中，再以一定的頻率輸出。FPGA器件ROM的定制有兩種方法：第一種方法是利用FPGA器件的嵌入式存儲(chǔ)器定制LPM_ROM,用.MIF文件或.HEX文件對(duì)其進(jìn)行初始化，這種方法獲得的ROM最大尋址空間為2 12，可以存儲(chǔ)一幅分辨率為64×64的圖像信息;第二種方法是在FPGA邏輯資源的限度內(nèi)用VHDL語(yǔ)言定制一個(gè)ROM，采用CASE語(yǔ)句對(duì)其進(jìn)行初始化，這種方法獲得的ROM在存儲(chǔ)深度較大時(shí)，編譯時(shí)對(duì)時(shí)間的開銷較大。ROM初始化完成后，在25MHz的時(shí)鐘頻率下輸出存儲(chǔ)的圖像信息。其圖象顏色種類的多少取決于存儲(chǔ)空間的大小。

　　ROM定制的圖象信息是利用FPGA嵌入的存儲(chǔ)器定制LPM_ROM,可以用于存儲(chǔ)一幅64×64分辨率的圖像信息，數(shù)據(jù)線寬為3位，地址線12根，采用組合尋址方式，即行地址HSADDRESS占低6位，場(chǎng)地址VSADDRESS占高6位;若要顯示更為復(fù)雜的圖象信息，只需擴(kuò)展存儲(chǔ)器及尋址的數(shù)據(jù)線寬度，為了保證行地址信號(hào)輸出與行掃描信號(hào)輸出同步，場(chǎng)地址信號(hào)輸出與場(chǎng)掃描信號(hào)輸出同步，在VHDL編程時(shí)，可用25MHz時(shí)鐘作為進(jìn)程的啟動(dòng)信號(hào)。輸出信號(hào)的時(shí)序波形如圖6所示。各種圖象信號(hào)的輸出是由數(shù)據(jù)選擇器通過VHDL編程實(shí)現(xiàn)的。