基于FPGA 的VGA 圖形控制器的實(shí)現(xiàn)方法

引言

　　VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到廣泛的應(yīng)用。利用FPGA 芯片和EDA 設(shè)計(jì)方法，可以因地制宜，根據(jù)用戶的特定需要，設(shè)計(jì)出針對性強(qiáng)的VGA 顯示控制器，不僅能夠大大降低成本，還可以滿足生產(chǎn)實(shí)踐中不斷變化的用戶需要，產(chǎn)品的升級換代方便迅速。

　　在本設(shè)計(jì)中采用了Altera 公司的EDA 軟件工具Quartus II ,并以ACEX系列FPGA 的器件為主實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

　　1 基于FPGA 的VGA 圖形控制器系統(tǒng)框圖

　　根據(jù)自頂向下的程序設(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)，我們對VGA 圖形控制器進(jìn)行功能分離并按層次設(shè)計(jì)。利用VHDL 硬件描述語言逐一對每個(gè)功能模塊進(jìn)行描述，并逐個(gè)通過編譯仿真，最后下載到硬件平臺(tái)調(diào)試。本設(shè)計(jì)的VGA 控制器主要由以下模塊組成：VGA 時(shí)序控制模塊、分頻模塊、漢字顯示模塊、圖像控制模塊、ROM讀取模塊等，如圖1 所示。

　　圖1 　基于FPGA 的VGA 圖形控制系統(tǒng)框圖

　　2 　主要功能模塊設(shè)計(jì)

　　2. 1 VGA 時(shí)序控制模塊

　　VGA 時(shí)序控制模塊是整個(gè)顯示控制器的關(guān)鍵部分，最終的輸出信號行、場同步信號必須嚴(yán)格按照VGA 時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號。對于普通的VGA 顯示器， 其引出線共含5 個(gè)信號： G,R ,B （3 基色信號） ,HS（行同步信號） ,VS（場同步信號） 。在5個(gè)信號時(shí)序驅(qū)動(dòng)時(shí)，VGA 顯示器要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”， 即640 Hz ×480 Hz ×60Hz 模式。

　　對于VGA 顯示器，每個(gè)像素點(diǎn)的輸出頻率為25. 175MHz ,因此采用50MHz 的時(shí)鐘信號，經(jīng)過二分頻模塊，得到25MHz 的輸入時(shí)鐘脈沖。依據(jù)VGA 時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，行同步信號HS ,行周期為31. 78μs ,每顯示行包括800 點(diǎn)，其中640 點(diǎn)為有效顯示區(qū)，160 點(diǎn)為行消隱區(qū)，每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為3. 81μs （即96 個(gè)脈沖） ; 場同步信號VS ,場周期為16.683ms ,每場有525 行，其中480 行為有效顯示行，45 行為場消隱區(qū)，每場有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為63μs （2 行）。

　　圖2 VGA 行掃描、場掃描的時(shí)序圖

　　依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，把輸入的25MHz 時(shí)鐘脈沖按照對應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)和掃描行數(shù)進(jìn)行分頻處理，可以得到最后符合時(shí)序要求的行頻率和刷新頻率。

　　利用Altera 公司的QuartusII 軟件對VHDL 語言描述的VGA 時(shí)序控制模塊進(jìn)行編譯、仿真，可得到行同步信號HS , 場同步信號VS 的時(shí)序仿真波形，如圖3 所示。

圖3 時(shí)鐘信號仿真圖

　　由仿真結(jié)果波形可以看到，行同步信號的時(shí)鐘周期約為31. 9μs ，場同步信號的時(shí)鐘周期約為16。

　　6ms ,達(dá)到了VGA 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的要求，可以為CRT 顯示器提供準(zhǔn)確的行場同步信號。

　　在硬件系統(tǒng)上，通過彩條圖案的生成驗(yàn)證了時(shí)序生成的正確性，可產(chǎn)生豎彩條、橫彩條、棋盤格等多種彩條模式。