基于FPGA的VGA圖像動態(tài)顯示控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

廖永清 ，丁旭昌 ，付建國，陳舜兒 ，劉偉平

（1.暨南大學(xué) 電子工程系，廣東 廣州 510632；2.光電信息與傳感技術(shù)廣東普通高校重點實驗室（暨南大學(xué)），廣東 廣州 510632）

0 引言

隨著電子技術(shù)和集成工藝水平的不斷提高，微處理器的運(yùn)算與控制能力也有了顯著的提升，由于越來越多的電子產(chǎn)品對功耗有著苛刻的要求，導(dǎo)致目前微處理器的帶負(fù)載能力比較弱，通常輸出電壓為mV級，這也制約了它們在顯示應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。目前，在數(shù)據(jù)采集和顯示控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA正好彌補(bǔ)了微處理器帶負(fù)載能力弱的缺點，且它在VGA（Video Graphics Array）信號處理中也有著大量的應(yīng)用[1]。

VGA是由IBM公司制訂的一套視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它在顯示領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。目前國內(nèi)外一般采用VGA顯示卡來實現(xiàn)VGA圖像的動態(tài)顯示和控制，但顯示卡價格一般比較高，且增加了系統(tǒng)的體積與復(fù)雜度，給系統(tǒng)今后的維護(hù)和升級帶來諸多不便。針對這種情況，筆者研究并設(shè)計了一種基于FPGA的VGA圖像動態(tài)顯示控制器，該控制器采用Verilog HDL實現(xiàn)相關(guān)的控制功能，這大大提升了系統(tǒng)的實時性和可靠性，在大規(guī)模嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中具有較高的工程價值和很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

VGA圖像動態(tài)顯示控制器主要由基于Spartan-3系列XC3S200-4PQ208的FPGA、時鐘電路、系統(tǒng)電源、接口電路、6×1矩陣式鍵盤和VGA接口的顯示器，其系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。其中FPGA是整個系統(tǒng)的核心部分，通過對其編程可輸出紅、綠、藍(lán)三基色信號和HS（Horizon Synchronizing）、VS（Vertical Synchronizing）行場掃描同步信號。當(dāng)FPGA接收時序信號后，內(nèi)部的顯示控制模塊根據(jù)控制信號選擇相應(yīng)的圖像信息模塊并輸出圖像信號，與行場掃描時序信號一起通過VGA接口電路送入顯示器，在VGA顯示器上便可看到相應(yīng)的動態(tài)圖像。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

VGA圖像動態(tài)顯示控制器的軟件實現(xiàn)采取的是自頂向下的方式，由系統(tǒng)整體設(shè)計方案規(guī)劃相應(yīng)的軟件框圖，將其劃分為分頻模塊、時序信號產(chǎn)生模塊、圖像信息模塊和顯示控制模塊。再運(yùn)用Verilog HDL設(shè)計各個子模塊，同時對各個子模塊分別進(jìn)行仿真與調(diào)試，最后將所有調(diào)試成功的子模塊集成為一個整體的系統(tǒng)，程序設(shè)計模塊框圖如圖2所示。要實現(xiàn)VGA圖像動態(tài)顯示在軟件實現(xiàn)上有兩個關(guān)鍵點：第一是要實現(xiàn)VGA的時序，使得VGA信號嚴(yán)格遵守協(xié)議要求的行、場同步時序；第二是實現(xiàn)圖像控制[4]，本設(shè)計的難點是實現(xiàn)圖像信號的動態(tài)顯示控制。以下介紹程序各個子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 分頻模塊

系統(tǒng)為FPGA提供的主振頻率是50 MHz，本設(shè)計要實現(xiàn)VGA顯示模式是640×480@60 Hz，按照VGA協(xié)議傳輸標(biāo)準(zhǔn)這種顯示模式的時鐘頻率要求為25.175 MHz，所以在分頻模塊中首先要對時鐘信號進(jìn)行2分頻，在誤差尤許的范圍內(nèi)分頻后的時鐘頻率可滿足該顯示模式下的時序要求。

2.2 時序信號產(chǎn)生模塊

要實現(xiàn)VGA的顯示與控制關(guān)鍵是要實現(xiàn)它的時序關(guān)系，即產(chǎn)生的行同步信號和場同步信號符合VGA傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的要求，該模塊的作用就是把系統(tǒng)時鐘分配到各個模塊并產(chǎn)生相應(yīng)的同步信號。要形成一幅完整流暢的圖像，首先要確保行、場同步，因為二者的同步就確定了一行和一幀圖像的開始和結(jié)束時間[5]。VGA的協(xié)議傳輸標(biāo)準(zhǔn)給出的參考顯示時序如圖3所示，由圖可知，雖然行頻和場頻在數(shù)值上相差比較大，但二者在時序上是一樣的。

2.3 圖像信息模塊

圖像信息模塊包括傳輸圖像數(shù)據(jù)和圖片在顯示屏幕上的定位兩個部分，利用行場同步信號的計數(shù)器可以對圖片進(jìn)行定位，在圖像顯示的有效區(qū)域內(nèi)按照顯示模式和圖片的大小確定行和列的起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)。對于圖片數(shù)據(jù)的傳輸，這通常取決于字庫提取軟件的相關(guān)設(shè)置以及圖片的大小與形狀，本文采用的是PC?toLCD2002字模軟件，取模方式選擇列行式，取模走向選擇逆向，字模軟件的相應(yīng)配置就決定了圖片的一個像素點就對應(yīng)著字節(jié)的數(shù)據(jù)。這里特別注意的是在行同步信號到達(dá)圖片定位的位置時，必須將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息全部送出，否則將會出現(xiàn)畫面不流暢或失真等。

2.4 顯示控制模塊

VGA圖像動態(tài)顯示是基于動畫幀的思想，當(dāng)場計數(shù)器每計到524時，屏計數(shù)器k加1，用屏計數(shù)器控制畫面顯示的先后順序，在快速掃描時，要實現(xiàn)流暢的動畫顯示，每秒至少應(yīng)該顯示24幅圖片。在實際應(yīng)用過程中，k的值不能是無限大的，應(yīng)該根據(jù)設(shè)計中定義的寄存器的大小來鎖定某一個值，否則之前出現(xiàn)過的圖片又會重現(xiàn)。本設(shè)計實現(xiàn)屏計數(shù)器的代碼為：

動態(tài)顯示的過程當(dāng)中，顯示流暢的圖像的同時也應(yīng)該避免不同圖像的重疊現(xiàn)象，因此要能看到不同圖像錯落有致地顯示，對要顯示的每一幅圖像都應(yīng)該定義其動作，這也是設(shè)計的一個難點，以下是本設(shè)計實現(xiàn)其中一幅圖像動作的部分代碼。當(dāng)屏計數(shù)器k<100時，圖像的位置不變；當(dāng)k>100時，圖像的位置隨著k的增加開始發(fā)生變化，在屏幕上圖像表現(xiàn)為一個下落的過程。具體代碼為：

3 系統(tǒng)仿真和聯(lián)調(diào)結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

時序信號產(chǎn)生模塊是本設(shè)計的關(guān)鍵，本文對其進(jìn)行了嚴(yán)格的仿真和驗證。本設(shè)計利用Xilinx ISE 7.1i ISE仿真工具Simulator，通過Verilog HDL語言編寫Test?bench，最后的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

利用Simulator ISE仿真工具可以實時監(jiān)測到行時序和幀時序的實時波形，從仿真圖可以看到，顯示模式為640×480@60 Hz時，每一幀的時間是16.6 ms，每一行的時間是31.66 μs，仿真結(jié)果完全符合該顯示模式下VGA接口的協(xié)議。

3.2 聯(lián)調(diào)結(jié)果

在Xinlinx ISE 7.1i中建立項目后，輸入各模塊的Verilog HDL程序代碼，并進(jìn)行邏輯綜合、布局布線、時序分析后生成編程文件，再將編程文件下載到FPGA中并通過VGA接口與顯示器相連。通過聯(lián)調(diào)可以看到，顯示器上能錯落有致地動態(tài)顯示圖片，并在OSD選單中選擇模式，此時顯示器上顯示了640×480@60 Hz的顯示模式，顯示器上顯示的部分畫面如圖6和圖7所示，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)，驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性。

4 小結(jié)

本文設(shè)計的VGA圖像動態(tài)顯示控制器是基于FPGA上實現(xiàn)的，采用Verilog HDL語言在Xilinx ISE 7.1i軟件環(huán)境下完成軟件設(shè)計，并對整個系統(tǒng)都進(jìn)行了調(diào)試，最終在硬件平臺上實現(xiàn)了動態(tài)顯示圖像。與傳統(tǒng)實現(xiàn)方案相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1）系統(tǒng)采用了Verilog HDL語言編寫，這樣可以使軟件程序簡潔且執(zhí)行效率高，減少了開發(fā)工作量、降低了設(shè)計難度；2）系統(tǒng)是基于FPGA上實現(xiàn)的，增加了系統(tǒng)驅(qū)動能力、可靠性和設(shè)計靈活性，對嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)具有較高的工程價值；3）系統(tǒng)采用FPGA芯片作為控制核心，可以在不使用VGA顯示卡和計算機(jī)的情況下實現(xiàn)VGA圖像的動態(tài)顯示和控制，大大減少了電路板的尺寸,節(jié)約了成本并擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。

[1]劉威，石彥杰，高博.基于FPGA的VGA顯示模式識別[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2008，30（4）：152-155.

[2]王恒心，熊慶國.基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2008，24（9）：146-148.

[3]陳曉輝，劉峰.基于TMS320DM355的VGA信號實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2010，34（3）：25-27.

[4]謝昭莉，蔣濤，劉亮，等.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的VGA接口的研究與設(shè)計[J].液晶與顯示，2007，22（6）：761-764.

[5]段磊.基于FPGA的VGA顯示系統(tǒng)[J].世界電子元器件，2007（9）：102-103.