基于FPGA的VGA波形顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭爭兵

（陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中723000）

1 引 言

視頻圖形陣列（Video Graphic Array，VGA）是一種視頻顯示標(biāo)準(zhǔn)，具有分辨率高，反應(yīng)速度快，顯示彩色顏色等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類顯示終端。為了較好地實(shí)現(xiàn)終端的圖形顯示，通常采用專門的顯卡完成視頻信號(hào)的采集、緩存和顯示。這種系統(tǒng)的硬件較為復(fù)雜，集成度低，而且成本較高，很難滿足嵌入式、便攜式智能儀表的應(yīng)用要求。隨著高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)PGA 擁有豐富的硬件資源，較強(qiáng)的可重配置能力，可以實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核，減小系統(tǒng)硬件規(guī)模，已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流硬件平臺(tái)之一［1－3］。因此，提出一種基于FPGA 的VGA 波形顯示系統(tǒng)，能夠充分利用FPGA 構(gòu)建的VGA 顯示控制電路，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序下的液晶顯示控制和驅(qū)動(dòng)功能，完成信號(hào)波形的快速顯示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的VGA 顯 示 控 制 電 路IP 核［4－5］，具 有 較 好 的重構(gòu)性，在適當(dāng)修改代碼的情況下，可移植到其他FPGA 嵌入式系統(tǒng)作為顯示控制器模塊調(diào)用，實(shí)現(xiàn)高速存儲(chǔ)設(shè)備后續(xù)顯示終端高分辨率顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

基于FPGA 的波形顯示系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)主要由信號(hào)采集A／D 芯片TLC5540、FPGA 模塊和VGA 顯示器組成。FPGA 模塊作為系統(tǒng)核心部分，主要完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)的顯示控制功能，該模塊包含PLL 模塊、A／D 控制模塊、雙口RAM 和VGA 顯示控制模塊。A／D 控制模塊為A／D 芯片提供時(shí)鐘信號(hào)ad＿clk、使能信號(hào)ad＿noe并為A／D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)ad＿da提供緩存。雙口RAM 實(shí)現(xiàn)采樣高速數(shù)據(jù)的緩存［6］。VGA 顯示控制模塊負(fù)責(zé)緩存數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生適合VGA 顏色顯示的紅、綠、藍(lán)三基色信號(hào)RGB＿da、行同步信號(hào)hsync 和場(chǎng)同步信號(hào)vsync，使VGA 顯示器在VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序驅(qū)動(dòng)下正確顯示波形。

2.2 VGA 硬件接口電路設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的VGA 接口由R、G、B 三色模擬信號(hào)線和行、場(chǎng)同步數(shù)字信號(hào)線構(gòu)成15 針D 型接口［6］，為了實(shí)現(xiàn)FPGA 與VGA 接口的正確連接和256種顏色的顯示，具體的硬件電路如圖2所示。由FPGA 芯片所產(chǎn)生的8位顏色信號(hào)由D1至D8端口送入SN74HC573AN 鎖存器后，經(jīng)鎖存后由Q1 至Q8 端輸出。Q1 至Q3 路數(shù)據(jù)經(jīng)512Ω、1kΩ、2kΩ 電阻網(wǎng)絡(luò)合成VGA＿RED 信號(hào)，Q4至Q6路數(shù)據(jù)經(jīng)512Ω、1kΩ、2kΩ 電阻網(wǎng)絡(luò)合成VGA＿GREEN 信號(hào)，Q7至Q8路數(shù)據(jù)經(jīng)512Ω、1kΩ 電阻網(wǎng)絡(luò)合成VGA＿BLUE 信號(hào)。FPGA 芯片所產(chǎn)生的行同步HSYNC、場(chǎng)同步VSYNC時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過限流電阻連接到VGA 接口的行、場(chǎng)同步引腳。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware block diagram of the system

圖2 FPGA 與VGA 接口連接電路Fig.2 Connection circuit between FPGA and VGA interface

3 波形顯示控制器設(shè)計(jì)

3.1 VGA時(shí)序關(guān)系分析

VGA 顯示器主要是通過逐行掃描方式實(shí)現(xiàn)圖形信號(hào)的顯示［7－8］。為了便于實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA 內(nèi)部主時(shí)鐘為50 MHz，通過鎖相環(huán)PLL 得到25 MHz VGA 接口時(shí)鐘信號(hào)。利用行計(jì)數(shù)器和場(chǎng)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)行、場(chǎng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)。具體的行掃描信號(hào)和場(chǎng)掃描信號(hào)的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

圖3 行信號(hào)與場(chǎng)信號(hào)時(shí)序關(guān)系圖Fig.3 Sequence diagram of level signal and vertical signal

本設(shè)計(jì)中的顯示模式為640×480×60 Hz，每個(gè)像素點(diǎn)的輸出頻率為25.175 MHz，行頻率為31 469 Hz，場(chǎng)頻率為59.94 Hz［9－10］。一個(gè)周期行掃描信號(hào)由96個(gè)pix時(shí)間同步頭、48個(gè)pix行消隱前肩、640 個(gè)有效數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和16 個(gè)pix行消隱后肩組成。場(chǎng)信號(hào)計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘是行計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)，即當(dāng)行計(jì)數(shù)器為800 個(gè)pix時(shí)，場(chǎng)計(jì)數(shù)器加1。因此場(chǎng)計(jì)數(shù)器一個(gè)周期是525行，在行計(jì)數(shù)器和場(chǎng)計(jì)數(shù)同時(shí)計(jì)數(shù)到有效顯示區(qū)域時(shí)，圖形數(shù)據(jù)才能正確。

3.2 波形顯示方法

VGA 顯示器采取從左到右，從上而下的方式掃描，利用行、場(chǎng)同步計(jì)數(shù)器可以確定圖形像素掃描點(diǎn)在顯示區(qū)域中的相對(duì)坐標(biāo)位置與在雙口RAM 中的地址數(shù)量關(guān)系，由此完成圖形數(shù)據(jù)在顯示區(qū)域的顯示。

假設(shè)x 表示行計(jì)數(shù)器值，y 表示場(chǎng)計(jì)數(shù)器值，（x，y）表示為掃描點(diǎn)在顯示區(qū)域的任何一像素點(diǎn)。波形顯示區(qū)域大小為M×N（位于640×480區(qū)域內(nèi)），起始點(diǎn)位置為（x0，y0），則掃描點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）在波形顯示區(qū)域滿足如下關(guān)系：

其中：M 表示顯示區(qū)域長度，N 表示顯示區(qū)域?qū)挾取?/p>

確定x1＝x－x0作為雙口RAM 存儲(chǔ)器的讀地址，利用x1值作為波形數(shù)據(jù)在雙口RAM 中的地址讀取數(shù)據(jù)da（x1），通過比較da（x1）和y1＝y(tǒng)－y0的值確定是否顯示數(shù)據(jù)。比較簡單的顯示方法是：如果da（x1）和y1相等則指定顏色顯示數(shù)據(jù)，否則顯示背景色。該方法不能連續(xù)顯示頻率較高的波形，容易丟失波形陡峭位置的信息，視覺效果不好。為此對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)任意頻率波形的顯示，具體的波形數(shù)據(jù)顯示方法流程如圖4所示。掃描點(diǎn)（x，y）隨著x，y 的改變移動(dòng)顯示位置，在掃描點(diǎn)到達(dá)波形顯示區(qū)域（x，y）時(shí)，利用x1作為波形數(shù)據(jù)在雙口RAM 中的地址讀取。數(shù)據(jù)da（x1－1），da（x1），將y1值與當(dāng)前波形數(shù)據(jù)da（x1）和前一時(shí)刻波形數(shù)據(jù)da（x1－1）進(jìn)行比較，如果y1值介于二者之間，則在掃描點(diǎn)（x，y）處按照指定的顏色顯示波形像素點(diǎn)，否則顯示背景色。

圖4 波形數(shù)據(jù)顯示流程圖Fig.4 Flow chart of waves data display

3.3 VGA顯示控制模塊設(shè)計(jì)

FPGA 芯片主要完成外部波形數(shù)據(jù)的采集和控制圖形數(shù)據(jù)的VGA 顯示。由于采集圖形數(shù)據(jù)量較大，利用FPGA 自帶的可配置的雙口RAM 模塊作為緩沖區(qū)。根據(jù)顯示波形區(qū)域大小和640×480×60 Hz顯示模式，RAM 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大小為512，數(shù)據(jù)地址位寬9 位。FPGA 只需要通過顯示控制模塊對(duì)RAM 進(jìn)行讀取操作，然后按照波形顯示方法完成波形像素位置與顏色顯示的轉(zhuǎn)化，最后產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的VGA 接口時(shí)序?qū)崿F(xiàn)像素點(diǎn)的顯示。因此，顯示控制模塊的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)VGA 顯示的關(guān)鍵。該模塊中產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的VGA 接口行、場(chǎng)信號(hào)時(shí)序即可驅(qū)動(dòng)顯示器，利用雙口RAM 的“滿”標(biāo)志信號(hào)讀取數(shù)據(jù)，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，完成數(shù)據(jù)的顯示。其關(guān)鍵Verilog HDL代碼如下：

4 時(shí)序仿真與驗(yàn)證

本文采用的FPGA 芯片選擇Altera公司的Cyclone系列EP3C55F484C8器件，使用Verilog HDL 硬件描述語言，在Quartus II 9.0環(huán)境下完成了顯示控制模塊的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相應(yīng)的時(shí)序仿真，VGA 接口時(shí)序仿真如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 VGA 接口時(shí)序仿真圖（a）Fig.5 Timing simulation charts of VGA interface（a）

圖6 VGA 接口時(shí)序仿真圖（b）Fig.6 Timing simulation charts of VGA interface（b）

圖7 VGA 接口時(shí)序仿真圖（c）Fig.7 Timing simulation charts of VGA interface（c）

圖8 顯示器波形顯示結(jié)果Fig.8 Waveform display results of the monitor

vga＿clk是25MHz行計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)；data＿in是讀取雙口RAM 的波形數(shù)據(jù)；disp＿data 是VGA 顯示顏色數(shù)據(jù)；vsync是場(chǎng)同步信號(hào)，hsync為場(chǎng)計(jì)數(shù)器。由圖可知：行計(jì)數(shù)器hcount＿r計(jì)數(shù)到799，行計(jì)數(shù)器清零，開始重新計(jì)數(shù)，此時(shí)行同步信號(hào)hsync由高電平變?yōu)榈碗娖剑M(jìn)入下一行的行消隱期，場(chǎng)計(jì)數(shù)器vcount＿r加1，當(dāng)行計(jì)數(shù)器hcount＿r計(jì)數(shù)到143，場(chǎng)計(jì)數(shù)器vcount＿r計(jì)數(shù)到34，且行同步信號(hào)hsync為高電平，場(chǎng)同步信號(hào)vsync 為高電平，此時(shí)VGA 接口數(shù)據(jù)信號(hào)disp＿data輸出顏色數(shù)據(jù)FF，VGA 接口信號(hào)嚴(yán)格滿足接口時(shí)序要求。

為驗(yàn)證系統(tǒng)在640×480×60 Hz顯示模式下的顯示效果，系統(tǒng)上電后通過VGA 接口在顯示器上顯示采集的波形信號(hào)圖，顯示區(qū)域大小為512×128位于顯示屏中央，其實(shí)物效果圖如圖8所示。顯示效果良好，顯示位置可以任意調(diào)整。

5 結(jié) 論

以640×480×60Hz 顯示模式為例，結(jié)合FPGA 芯片控制，闡述了一種基于FPGA 的VGA 波形顯示方法，并在Altera公司的Cyclone系列EP3C55F484C8器件進(jìn)行了驗(yàn)證，波形數(shù)據(jù)能夠連續(xù)穩(wěn)定地顯示。該顯示設(shè)計(jì)方法能夠應(yīng)用于其他分辨率（1 024×768，1 280×720，1 920×1 080等）的VGA 顯示，且FPGA 具有可重配置性和豐富的片內(nèi)資源，編程大大簡化，且基于FPGA 開發(fā)的VGA 顯示控制模塊，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP核，方便移植，為基于FPGA 的嵌入式終端顯示提供了一個(gè)較好的解決方案。

［1］ 鄭爭兵.一種基于FPGA 的UART 電路設(shè)計(jì)［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2010，29（7）：85－87.Zheng Z B.Design of UART circuit based on FPGA ［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2010，29（7）：85－87.（in Chinese）

［2］ 鄭爭兵.基于FPGA 的FSK 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（5）：20－21.Zheng Z B.Design of FSK modulation and demodulation system based on FPGA ［J］.Journal of Shaanxi University of Technology：Natural Science Edition，2012，28（5）：20－21.（in Chinese）

［3］ 鄭爭兵.基于DSP Builder的FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，29（2）：34－38.Zheng Z B.Design and simulation of FIR digital filter based on DSP builder［J］.Journal of Shaanxi University of Technology：Natural Science Edition，2013，29（2）：34－38.（in Chinese）

［4］ 劉敏，戴曙光，穆平安.采用SOPC IP核技術(shù)實(shí)現(xiàn)液晶屏顯示［J］.液晶與顯示，2011，26（5）：665－667.Liu M，Dai S G，Mu P A.Controller for TFT LCD driver based on SOPC［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（5）：665－667.（in Chinese）

［5］ 鄭爭兵.基于FPGA 的圖形點(diǎn)陣液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2013，28（3）：403－407.Zheng Z B.Design and implementation of graphics dot matrix LCD based on FPGA［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（3）：403－407.（in Chinese）

［6］ 鄭爭兵.基于FPGA 的高速采樣緩存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（11）：3259－3261.Zheng Z B.Design and implementation of a high－speed sampling buffer system based on FPGA ［J］.Journal of Computer Applications，2012，32（11）：3259－3261.（in Chinese）

［7］ 熊文彬，蔣泉，曲建軍，等.基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的視頻顯示系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2011，26（1）：92－93.Xiong W B，Jiang Q，Qu J J，et al.Video display system based on FGPA［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（1）：92－93.（in Chinese）

［8］ 袁堂青，張玉璘.基于FPGA 的VGA 漢字顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（1）：37－38.Yuan S T，Zhang Y L.Design and implementation of VGA chinese character display based on FPGA［J］.Journal of University of Jinan：Science and Technology，2011，25（1）：37－38.（in Chinese）

［9］ 陳彬，伍乾永，劉永春.基于FPGA 的VGA 控制模塊設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)，2008，38（2）：306－307.Chen B，Wu Q Y，Liu Y Q.Design of VGA control module based on FPGA［J］.Microelectronics，2011，26（1）：92－93.（in Chinese）

［10］ 王鳴浩，吳小霞.基于FPGA 的通用液晶顯示控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2012，27（1）：87－88.Wang M H，Wu X X.Design and realization of general LCD controller based on FGPA［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（1）：87－88.（in Chinese）