基于FPGA的VGA波形顯示方法研究

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用FPGA技術(shù)開發(fā)的信號(hào)處理系統(tǒng)在各種行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。VGA是IBM公司在1987年隨PS/2機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有分辨率高、顯示速度快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用FPGA設(shè)計(jì)VGA控制器也是近幾年研究的一個(gè)熱點(diǎn)，這種方式設(shè)計(jì)的顯示系統(tǒng)，在不使用VGA顯示卡的情況下，實(shí)現(xiàn)圖像的顯示和控制，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)。目前關(guān)于這方面的研究論文主要集中在顯示原理的介紹、FPGA設(shè)計(jì)VGA時(shí)序控制器[1-2]以及圖像顯示方法[3-4]上，至于波形的顯示方法主要集中在計(jì)算機(jī)上通過顯卡實(shí)現(xiàn)，利用FPGA而無需顯卡的VGA顯示波形的討論比較少見。本文依據(jù)VGA顯示原理，介紹兩種VGA顯示波形的方法，給出了兩種波形顯示方法的流程圖，同時(shí)針對(duì)波形顯示中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性提出了一種穩(wěn)定顯示波形的策略，并給出了VGA顯示的結(jié)果波形。顯示方法利用Verilog HDL 語言作為邏輯描述手段，在QuartusII軟件環(huán)境下使用Stratix II系列的FPGA芯片完成。

1 VGA顯示原理

常見的彩色顯示器一般由CRT構(gòu)成，彩色由R、G、B三色組成。采用逐行掃描的顯示方式，陰極射線槍發(fā)出的電子束打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生R、G、B 三基色，最后合成一個(gè)彩色圖像。

對(duì)于圖像的顯示，可以利用行、場(chǎng)同步信號(hào)的計(jì)數(shù)器，在顯示可視區(qū)間內(nèi)按照?qǐng)D片的大小劃定行和列的起始坐標(biāo)和終止坐標(biāo)，當(dāng)掃描點(diǎn)在圖像顯示區(qū)域內(nèi)時(shí)，根據(jù)掃描點(diǎn)在圖像顯示區(qū)中的相對(duì)坐標(biāo)位置，計(jì)算得到當(dāng)前要顯示的圖像像素點(diǎn)在圖像存儲(chǔ)器中的地址，然后讀取顯示。

如圖1所示，x表示行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(行坐標(biāo))，y表示列計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值(列坐標(biāo))，顯示的分辨率為H×V，(x,y)為顯示區(qū)域內(nèi)的任意一像素點(diǎn)。波形顯示區(qū)域的大小為M×N，起始點(diǎn)為(m0,n0)，(m,n)則為掃描點(diǎn)在波形顯示區(qū)域中的相對(duì)坐標(biāo)。當(dāng)掃描點(diǎn)到達(dá)波形顯示區(qū)域時(shí)， 即滿足以下關(guān)系：

則有m=x-m0,n=y-n0；此時(shí)，可以將m作為波形存儲(chǔ)器的地址，取出波形數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，波形存儲(chǔ)器的大小可以設(shè)置為大于或等于M。


2 波形顯示方法

　在這里討論兩種波形顯示的方法。假設(shè)存儲(chǔ)在波形RAM中的數(shù)據(jù)為x(k)，(m,n)為掃描點(diǎn)在波形顯示區(qū)域中的相對(duì)坐標(biāo)。

方法一：如圖2(a)流程所示，當(dāng)掃描點(diǎn)進(jìn)入波形顯示區(qū)域時(shí)，開始讀取波形RAM中的數(shù)據(jù)，將讀出的數(shù)據(jù)x(k)與當(dāng)前掃描點(diǎn)在波形顯示區(qū)域中的縱坐標(biāo)n或者N-n作比較，如果相等則顯示，否則不顯示。圖2(b)所示為方法一顯示的效果圖。

方法二：如圖3(a)流程所示，當(dāng)掃描點(diǎn)進(jìn)入波形顯示區(qū)域時(shí)，開始讀取波形RAM中的數(shù)據(jù)，將當(dāng)前掃描點(diǎn)在波形顯示區(qū)域中的縱坐標(biāo)n或者N-n與讀出的當(dāng)前數(shù)據(jù)x(k)和上一個(gè)波形數(shù)據(jù)x(k-1)進(jìn)行對(duì)比，如果掃描點(diǎn)剛好處于這兩個(gè)值之間則顯示，否則不予顯示。圖3(b)所示為方法二顯示的效果圖。


3 顯示控制器設(shè)計(jì)

VGA顯示控制器須提供R、G、B三基色圖像信號(hào)，HS行同步信號(hào)和VS場(chǎng)同步信號(hào)。由于VGA接口顯示器僅能處理串行模擬信號(hào),因此，VGA控制器所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)后發(fā)送給顯示器使用。VGA顯示器正確、完整地顯示數(shù)字圖像包括時(shí)序的構(gòu)建和數(shù)字圖像信息的模擬化兩個(gè)方面。據(jù)此系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示,系統(tǒng)硬件由ADC控制模塊、波形穩(wěn)定控制模塊、RAM存儲(chǔ)模塊、VGA控制模塊組成。在ADC控制模塊的控制下將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)波形穩(wěn)定模塊處理后,存入數(shù)據(jù)緩存器RAM內(nèi)，而后VGA控制器在驅(qū)動(dòng)顯示器的時(shí)候，讀取數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示[5]。通常VGA顯示器顯示的數(shù)據(jù)量較大，而FPGA內(nèi)置的片內(nèi)存儲(chǔ)器資源很難滿足存儲(chǔ)量的需求，因此，一般都需要通過外接存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)于圖像等大數(shù)據(jù)量處理系統(tǒng)通常選用SDRAM進(jìn)行擴(kuò)展[6]，本系統(tǒng)只進(jìn)行波形的顯示，不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作，故片內(nèi)存儲(chǔ)器足夠滿足使用要求。

需要說明的是，信號(hào)的A/D采集時(shí)鐘選為125 MHz，而VGA的顯示標(biāo)準(zhǔn)選擇的是視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)VESA(Video Electronics Standards Association)即為1 280×1 024@60 Hz，故像素時(shí)鐘為108 MHz。為了產(chǎn)生這兩種時(shí)鐘，在FPGA片外接100 MHz的晶振，使用FPGA內(nèi)部兩個(gè)鎖相環(huán)經(jīng)倍頻后得到。對(duì)于不同時(shí)鐘速率之間的數(shù)據(jù)交換, 一般會(huì)通過使用FIFO進(jìn)行緩沖，本文使用雙端口RAM進(jìn)行緩存，配置為一個(gè)讀端口和一個(gè)寫端口，兩個(gè)端口擁有各自獨(dú)立的時(shí)鐘(分別為108 MHz和125 MHz)， 設(shè)計(jì)簡單的控制時(shí)序就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確讀寫。

3.1 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寬度的選擇

通常ADC的分辨率為12 bit或者14 bit,支持補(bǔ)碼形式表示,數(shù)字信號(hào)表示的最大范圍為4 096或者16 384，而實(shí)際的顯示器的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此值,常見的有640×480、1 024×768、1 280×1 024等。因此根據(jù)顯示波形區(qū)域的大小，存儲(chǔ)在顯示緩存器中數(shù)據(jù)寬度可以縮減，例如波形顯示區(qū)域的大小為1 024×512，選用橫向顯示，則可將顯示數(shù)據(jù)的寬度截取為9 bit，這樣一來最大值不會(huì)超過511，避免了數(shù)據(jù)值較大而無法顯示的情況。本文中所選用的波形顯示區(qū)域大小為1 024×768，即M=1 024，N=768，顯示數(shù)據(jù)截取為10 bit，但需注意，并不是從采集進(jìn)來的數(shù)字信號(hào)直接截取。為了防止數(shù)據(jù)較大而溢出波形顯示區(qū)域，作如下處理：首先從ADC采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)分別截取9 bit和8 bit,然后將截取后的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，結(jié)果為10 bit數(shù)據(jù)，其最大值不會(huì)超過768，這樣就防止了顯示溢出而導(dǎo)致的波形顯示失真。

3.2 穩(wěn)定顯示波形策略

由于系統(tǒng)采集的時(shí)鐘與VGA顯示的像素時(shí)鐘不同，通常都會(huì)選取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示，而其余的數(shù)據(jù)將會(huì)被丟棄，因此如何選取數(shù)據(jù)變得尤為重要，如果選取不合適，會(huì)造成顯示波形閃動(dòng)，無法分辨。為了使顯示的波形穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)采集時(shí)進(jìn)行了預(yù)處理：首先判斷掃描點(diǎn)是否在波形顯示區(qū)域內(nèi)，如果在，則讀取波形RAM中的數(shù)據(jù)并顯示；否則對(duì)采集進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，開始向波形RAM中寫數(shù)據(jù)，寫滿時(shí)停止寫入，而后面采集的信號(hào)全部丟棄。利用這種方式，顯示的基準(zhǔn)點(diǎn)位于顯示區(qū)域最左邊線，而通常需要將顯示的基準(zhǔn)點(diǎn)移至顯示區(qū)域的中心位置。對(duì)于這種方式的實(shí)現(xiàn)方案是：首先定制大于或等于2倍于顯示寬度大小的波形RAM，當(dāng)掃描點(diǎn)不在波形顯示區(qū)域中時(shí)，開始將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址大于顯示區(qū)域?qū)挾纫话霑r(shí)，開始檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入波形RAM中，檢測(cè)到基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，將此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)地址tadd保存起來，而后繼續(xù)存儲(chǔ)直至存滿為止。當(dāng)掃描點(diǎn)到達(dá)波形顯示區(qū)域時(shí)，從地址radd開始讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，這樣就達(dá)到了目的。其中地址radd的計(jì)算公式為：

需要說明的是,以上介紹的穩(wěn)定顯示波形策略，存儲(chǔ)器資源占用很少,大量采集的數(shù)據(jù)將會(huì)被丟失。當(dāng)VGA控制器以像素時(shí)鐘讀取波形RAM時(shí)，從ADC采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)不會(huì)寫入波形RAM,以保持波形的完整性；當(dāng)VGA控制器不讀取波形RAM時(shí)，ADC采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)以采集速率寫入波形RAM中，直到寫滿后停止。對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)VGA控制器不讀取波形RAM時(shí)，能夠保證波形RAM寫滿完整一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)n0≤y≤n0+N成立時(shí)，需要的時(shí)間為1 280×768÷108 MHz≈9.102μs，對(duì)波形RAM不進(jìn)行寫入操作。不滿足時(shí)，需要的時(shí)間為1280×256÷108 MHz≈2.427 μs；如果波形RAM的大小為2 KB，采集速率為125 MHz， 則寫入波形RAM的時(shí)間為2048÷125 MHz≈16.384 ns，可見對(duì)于波形RAM有足夠的時(shí)間進(jìn)行寫入操作。以上分析均沒有考慮消隱所用的時(shí)間。

3.3 VGA時(shí)序

在VGA 接口協(xié)議中，不同的顯示模式都有嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、不同的分辨率或不同的刷新頻率，故其時(shí)序也不相同[7]。VESA的標(biāo)準(zhǔn)參考顯示時(shí)序如圖5所示,B為行同步信號(hào),占用112個(gè)像素時(shí)鐘周期，C為行消隱后肩， E為行消隱前肩，D為有效數(shù)據(jù)顯示期；P為場(chǎng)同步信號(hào)，占用3個(gè)行周期，Q為場(chǎng)消隱后肩，S為場(chǎng)消隱前肩，R為行有效顯示期。在逐行掃描情況下，1 280×1 024分辨率有效顯示區(qū)域?yàn)槊啃? 280個(gè)像素,一場(chǎng)1 024行，實(shí)際考慮到行消隱和場(chǎng)消隱時(shí)間的影響，實(shí)際分辨率為1 688×1 066。場(chǎng)同步信號(hào)VS用來確定一幀圖像的開始和結(jié)束時(shí)間，確保圖像數(shù)據(jù)從左到右、從上到下掃描，以形成一幅幅圖像。行同步信號(hào)HS標(biāo)志著一行像素的開始和結(jié)束，使圖像數(shù)據(jù)顯示在屏幕從左到右的有效區(qū)域。

首先根據(jù)刷新頻率確定主時(shí)鐘頻率，然后由主時(shí)鐘頻率和圖像分辨率計(jì)算出行總周期數(shù)，再把同步、消隱各時(shí)序段的時(shí)間按照主計(jì)數(shù)脈沖源頻率折算成時(shí)鐘周期數(shù)。在FPGA中利用計(jì)數(shù)器，以計(jì)算出的各時(shí)序段時(shí)鐘周期數(shù)為基準(zhǔn)產(chǎn)生不同寬度和周期的脈沖信號(hào)，利用它們的邏輯組合產(chǎn)生視頻DAC的控制信號(hào)和VGA接口的同步信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)本文提到的波形顯示方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別對(duì)采集的正弦波和方波進(jìn)行兩種方法的顯示。圖6(a)為方法一顯示的方波，可以看出，方法一對(duì)于變化比較陡峭的波形顯示，會(huì)出現(xiàn)很多虛點(diǎn)，視覺效果不佳，不利于顯示波形變化陡峭的波形。圖6(b)為方法二顯示的方波，這種方法對(duì)于任意波形的顯示都具有很好的顯示效果，不存在方法一中提到的波形不連續(xù)情況，視覺上達(dá)到平滑的效果。由此可見，方法二顯示的波形線條清晰，適合各種波形的顯示，比方法一顯示的波形視覺效果更好。

本文針對(duì)VGA顯示波形的美觀性要求，首先在介紹VGA顯示原理和時(shí)序控制器的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上研究了波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度選擇以及一種波形穩(wěn)定顯示的策略，然后探討了兩種VGA顯示波形的方法，第一種方法可以顯示“變化緩慢”的波形，對(duì)于“比較陡峭”的波形顯示不連續(xù)，效果不佳；第二種方法對(duì)于任意一種波形都可以連續(xù)地顯示，具有很好的視覺顯示效果。本文所述的波形顯示方法為新型示波器的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。