基于FPGA/CPLD的VGA顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　VGA(視頻圖形陣列Video Graphics Array)是IBM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、顯示速率快、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。

　　目前 VGA技術(shù)的應(yīng)用還主要基于 VGA顯示卡的，而在一些既要求顯示彩色高分辨率圖像又不使用計(jì)算機(jī)的設(shè)備上，VGA技術(shù)的應(yīng)用卻很少。本文對(duì)基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。

　　基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)，可以在不使用 VGA顯示卡的情況下實(shí)現(xiàn) VGA圖像的顯示和控制。該系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)。

　　1 基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　通用 VGA顯示卡系統(tǒng)主要由控制電路、顯示緩存區(qū)和視頻 BIOS程序三個(gè)部分組成。其控制電路主要完成時(shí)序發(fā)生、顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作等功能;顯示緩沖區(qū)提供顯示數(shù)據(jù)緩存空間;視頻BIOS作為控制程序固化在顯示卡的 ROM中。在基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以使用很少的資源，就產(chǎn)生 VGA各種控制信號(hào)，達(dá)到顯示彩色高分辨率圖像的要求，而不需用 VGA顯示卡和計(jì)算機(jī)設(shè)備。圖 1是基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖中FPGA采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672C這款 FPGA.Cyclone II器件采用 90nm、低 K值電介質(zhì)工藝，通過(guò)使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。EP2C35F672C該芯片提供了 33216個(gè)邏輯單元 ,包括了嵌入式 18*18位乘法器、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、 4KB嵌入式存儲(chǔ)器件、4個(gè)鎖相環(huán)和高速差分 I/O等功能。該芯片的工作頻率和引腳 IO等資源都能很好的滿足本系統(tǒng)的要求.FPGA的工作時(shí)鐘為 54MHz。

　　VGA接口芯片采用了 ADV7125，該芯片是美國(guó) ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz四個(gè)等級(jí)。ADV7125在單芯片上整合了三組 8位高速 D/A轉(zhuǎn)換器，可以分別處理紅、綠、藍(lán)視頻數(shù)據(jù)，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速 D/A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用系統(tǒng)。 ADV7125的輸入及控制信號(hào)非常簡(jiǎn)單：3組 8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對(duì)應(yīng) RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標(biāo)準(zhǔn) TTL電平接口;4條視頻控制信號(hào)線包括復(fù)合同步信號(hào) SYNC、消隱信號(hào) BLANK、白電平參考信號(hào) REF WHITE和像素時(shí)鐘信號(hào) CLOCK;外接一個(gè) 1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和 1個(gè)輸出滿度調(diào)節(jié)。只有 4條輸出信號(hào)線：模擬 RGB信號(hào)采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅(qū)動(dòng) 75?同軸傳輸線。

　　2模塊劃分與模塊功能定義

　　FPGA中包含了四個(gè)工作模塊： VGA時(shí)序發(fā)生器模塊、VGA圖像顯示調(diào)色板模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)讀寫控制器。由于 ADV7125內(nèi)部沒(méi)有顏色的轉(zhuǎn)換器 ,所以當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)為 YUV信號(hào)時(shí)，就要把 YUV信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RGB信號(hào),這一功能就是由 VGA圖像顯示調(diào)色板模塊完成的，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)為 RGB信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)?ADV7125，不需調(diào)色板進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)讀寫控制器解決了顯示數(shù)據(jù)的來(lái)源和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。用 FPGA對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和整理，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路需要的各種控制波形由視頻控制器對(duì)顏色緩沖器進(jìn)行掃描，其中視頻控制器可以讀取像素顏色，用這些顏色來(lái)控制輸出設(shè)備的亮度。

　　VGA時(shí)序發(fā)生器模塊產(chǎn)生顯示器所需的時(shí)序，這是完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，時(shí)序稍有偏差，顯示必然不正常，甚至?xí)p壞彩色顯示器。

　　3、 VGA時(shí)序分析

　　顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在 CRT(陰極射線管)屏幕上從左到右(受水平同步信號(hào) HSYNC控制)、從上到下(受垂直同步信號(hào) VSYNC控制)做有規(guī)律的移動(dòng)。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描指電子束在掃描時(shí)每隔一行掃一線，完成一屏后再返回來(lái)掃描剩下的線，與電視機(jī)的原理一樣。隔行掃描的顯示器掃描閃爍的比較厲害，會(huì)讓使用者的眼睛疲勞。目前微機(jī)所用顯示器幾乎都是逐行掃描。逐行掃描是指掃描從屏幕左上角一點(diǎn)開始，從左向右逐點(diǎn)進(jìn)行掃描，每掃描完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行行同步;當(dāng)掃描完所有行，形成一幀時(shí)，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時(shí)進(jìn)行行場(chǎng)消隱，開始下一幀的掃描。

　　完成一行掃描所需時(shí)間稱為水平掃描時(shí)間，其倒數(shù)稱為行頻率;完成一幀(整屏)掃描所需的時(shí)間稱為垂直掃描時(shí)間，其倒數(shù)為垂直掃描頻率，又稱刷新頻率，即刷新一屏的頻率。常見的有 60Hz、75Hz等。

　　VGA 顯示器要正確顯示圖像關(guān)鍵還是如何實(shí)現(xiàn) VGA時(shí)序。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)( VESA, Video Electronics Standards Association)對(duì)顯示器時(shí)序進(jìn)行了規(guī)范。 VGA的標(biāo)準(zhǔn)參考顯示時(shí)序如圖 2、圖 3所示。行時(shí)序和場(chǎng)時(shí)序都需要產(chǎn)生同步脈沖(Sync a)、顯示后沿 (Back porch b)、顯示時(shí)序段(Display interval c)和顯示前沿 (Front porch d)四個(gè)部分。 VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)顯示模式要求：行同步、場(chǎng)同步都為負(fù)極性，即同步頭脈沖要求是負(fù)脈沖。

　　VGA的行時(shí)序如圖 2所示：每一行都有一個(gè)負(fù)極性行同步脈沖( Sync a)，是數(shù)據(jù)行的結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)也是下一行的開始標(biāo)志。在同步脈沖之后為顯示后沿 (Back porch b)，在顯示時(shí)序段(Display interval c)顯示器為亮的過(guò)程，RGB數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)一行上的每一個(gè)象素點(diǎn)，從而顯示一行。在一行的最后為顯示后沿(Back porch b)。在顯示時(shí)序段( Display interval c)之外沒(méi)有圖像投射到屏幕時(shí)插入消隱信號(hào)。同步脈沖(Sync a)、顯示后沿(Back porch b)和顯示前沿(Front porch d)都是在行消隱間隔內(nèi)( Horizontal Blanking Interval)，當(dāng)行消隱有效時(shí)， RGB 信號(hào)無(wú)效，屏幕不顯示數(shù)據(jù)。

　　VGA的場(chǎng)時(shí)序與 VGA的行時(shí)序基本一樣，如圖 3所示，每一幀的負(fù)極性幀同步脈沖(Sync a)是一幀的結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)也是下一幀的開始標(biāo)志。而顯示數(shù)據(jù)是一幀的所有行數(shù)據(jù)。