基于FPGA的量子點波形VGA顯示與標記方法研究

張智勇　楊晨　郭祥　丁召

摘 要： 提出一種基于FPGA和硬件描述語言Verilog HDL實現(xiàn)STM?MBE量子點波形VGA顯示與標記的方法，利用FPGA片內ROM，將量子點生長實驗中量子點的高度數(shù)據波形顯示在VGA顯示器上；同時利用FPGA的控制優(yōu)勢及處理圖像的高效性，實現(xiàn)對所有在VGA顯示器上顯示的波形圖做手動和自動標記，便于分析量子點生長的優(yōu)劣，以及描述量子點的表面形貌。通過量子點波形顯示實驗，得到了顯示效果較好的量子點波形圖，顯示波形圖上的任意點也能被手動和自動做標記。

關鍵詞： FPGA； Verilog HDL； VGA顯示； 量子點； 波形顯示與標記

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0101?03

量子點（Quantum Dot，QD）[1]，是準零維的納米材料，由少量的原子所構成。STM?MBE是可制備和掃描量子點材料的先進設備，STM?MBE即掃描隧道顯微鏡和超高真空分子束外延聯(lián)合系統(tǒng)，分子束外延（MBE）是一種物理氣相沉積的材料制備方式，利用MBE設備可以高精度地制備原子單層級的平整薄膜[2]， 掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理是電子的隧道效應，通過隧道電流的大小反應樣品表面的形貌。利用STM?MBE制備量子點時，需要利用量子點波形來觀察和標記量子點的高度以確定量子點生長的優(yōu)劣和表面形貌?；诖朔N需求，本文利用FPGA控制來實現(xiàn)量子點波形的VGA顯示。由于FPGA技術的迅速發(fā)展，F(xiàn)PGA能夠滿足靈活性和穩(wěn)定性的要求，在圖像采集和處理方面得到了廣泛的應用[3]。VGA顯示具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點[4]，利用FPGA控制實現(xiàn)波形的VGA顯示不僅能優(yōu)化量子點波形的顯示效果，而且系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、應用靈活的優(yōu)點。本文的系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境為Quartus Ⅱ11.0，采用的FPGA芯片型號為ALTERA Cyclone IV 系列，利用Verilog硬件描述語言實現(xiàn)對量子點VGA波形顯示的控制；同時在量子點波形顯示的基礎上，利用FPGA控制實現(xiàn)對顯示的波形圖的任意節(jié)點做自動或者手動標記，從而進一步方便于制備量子點的實驗。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)原理框圖

在QuartusⅡ11.0的軟件環(huán)境下，采用Cyclone IV 系列的FPGA芯片，并在此環(huán)境內搭載AD量子點波形數(shù)據采集模塊、存儲器模塊、VGA控制模塊、VGA顯示模塊、標記控制模塊等。AD量子點波形數(shù)據采集模塊將采集的量子點波形數(shù)據處理后存入存儲器模塊，通過定制存儲器模塊，可以將量子點波形的數(shù)據存入緩存中，VGA控制模塊在時鐘信號（CLK）的作用下通過HSYNC（行同步）、VSYNC（幀同步）信號和RGB數(shù)據來控制VGA顯示器的顯示，標記控制模塊通過State Machine（狀態(tài)機）和Counter（計數(shù)器）控制標記在整個屏幕的移動，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2 VGA顯示原理

在FPGA設計中，只需利用很少的資源就能產生VGA的各種控制信號[5]，如時序、色彩、分辨率等。目前絕大多數(shù)的VGA顯示器采用光柵掃描，即從上到下掃過每一行，在每一行內從左到右掃描。在VGA中，行同步脈沖在光柵掃描線需要回到屏幕的左邊（水平開始位置）的時候插入，場同步脈沖在光柵掃描線需要回到屏幕的上方（垂直開始位置）的時候插入。VGA的色彩原理是通過對Red，Green，Blue三個顏色通道的變化以及它們之間的疊加來得到各種各樣的顏色，通過三種顏色的亮度值從0～255的不同產生出其他各種顏色。RGB為像素數(shù)據，在沒有圖像投射到屏幕時插入消隱信號，當消隱信號有效時，RGB信號無效，屏幕不顯示數(shù)據。

圖2是VGA掃描行數(shù)據時序圖，H是行同步脈沖信號。產生行同步脈沖信號HSYNC的周期H=H1+H2+ H3+H4，其中H1是同步信號時間，H2為消隱后肩時間，H3為數(shù)據有效時間，H4為行消隱前肩時間。場同步時序與行同步時序類似，即為顯示一屏數(shù)據的時序。以分辨率640×480為例[6]，刷新頻率為60 Hz，顯示器每秒掃描60場數(shù)據，但是VGA在實際工作時并非每行掃描640個點，每場掃描480行數(shù)據，而是每行800個像素點[7]，每場525行數(shù)據。每行800個像素點中包括H4 16個點，H1 96個點，H2 48個點以及有效圖像像素點H3 640個，場數(shù)據與此類似，由此點像素的時鐘頻率為：800×525×60 = 25.2 MHz。

2 量子點波形的VGA顯示與標記

2.1 波形的顯示

圖3是經MBE設備生長的InGaAs量子點的STM掃描圖（1 000 nm×1 000 nm）。圖中的白色直線下的4個量子點是本實驗所選取的4個實驗點，實驗所要顯示的波形是這4個量子點的高度，顯示的波形圖能更加精確地反映InGaAs量子點的表面形貌以及量子點生長優(yōu)劣。

STM?MBE聯(lián)合系統(tǒng)的組成為生長量子點設備和掃描量子點設備，掃描設備又包含掃描顯示和數(shù)據輸出，數(shù)據輸出部分有USB接口。本實驗系統(tǒng)的AD量子點波形數(shù)據采集模塊就是通過數(shù)據輸出的USB接口采集量子點的高度掃描數(shù)據[8]。這些掃描數(shù)據存入存儲器模塊的緩存中[9]，通過VGA控制模塊的讀取和控制[10]。這些數(shù)據轉化為波形并在VGA顯示器上顯示。圖4是實驗選取的4個量子點的波形圖。由波形圖可以看出，從左至右的4個量子點，第2個量子點的生長高度較其他3個較低，表面較凹，波形圖比較直觀地反映出了量子點的表面形貌，十分便于量子點生長實驗的觀測與分析。

2.2 波形的標記

在實際的量子點生長實驗中，不僅需要觀察量子點的STM掃描圖、量子點高度的波形圖， 也需要對某些量子點做標記，如標記生長的不好的量子點或者生長的符合要求的量子點。本文以選取的的4個量子點為例，利用FPGA控制實現(xiàn)量子點波形的自動標記和手動標記。

實現(xiàn)量子點波形的自動標記是利用VGA顯示器光柵掃描從左至右，從上至下的掃描方式。如圖5所示，在分辨率為H×V的VGA顯示畫面中，假設要分別對波形圖上的A，B兩點做自動標記，根據本實驗中整條波形的RGB色彩是一致的特點，即為白色，即RGB色彩值為（255，255，255），Red為255，Green為255，Blue為255，設A點坐標為（XA，YA），則XA為掃描到的波形上的第1個點的橫坐標，且YA為場方向上的縱坐標最小值，于是即可在此坐標值上做下標記；同理，對于B點，令B點坐標為（XB，YB），YB為場方向最后一行掃描到的波形上的第一個點的縱坐標，且YB為縱坐標最大值，于是即可在此坐標值做下標記。圖6為加標記后的量子點波形圖，通過FPGA的控制和Verilog HDL，圓形標記能自動添加在量子點波形的最高（最低）轉折點和最高（最低）波峰點，這些標記有助于在量子點生長實驗中分析量子點的生長優(yōu)劣以及表面形貌的變化。

實現(xiàn)量子點波形的手動標記的重點在于標記的移動，本實驗中VGA顯示的分辨率為640×480，選取的時鐘為25 MHz，則由于對應的周期為40 ns，標記移動速度太快，無法觀測標記移動，經過多次實驗，在Verilog狀態(tài)機中選用18位的計數(shù)器，在FPGA的控制按鍵有效時，計數(shù)器每計到18個1時標記在VGA顯示器上移動一個像素點，實現(xiàn)標記上下左右任意位置的移動。

在圖6自動標記的基礎上，利用Verilog HDL定義FPGA上的控制按鍵，通過不同按鍵的控制，可使標記靈活地進行自定義的移動。

3 結 語

本實驗利用FPGA控制實現(xiàn)了STM?MBE量子點波形的VGA顯示，且同時實現(xiàn)了量子點波形圖的手動和自動標記，充分發(fā)揮了FPGA在實現(xiàn)圖像采集與控制方面的優(yōu)勢。經實踐證明實驗方法易于操作，且顯示效果好，成本低，十分便于在量子點生長實驗中分析量子點的生長狀況，描述量子點的表面形貌。本次實驗采取的VGA分辨率為640×480。在實際的實驗中，若單次顯示的量子點數(shù)量較多，還可根據需求選用更大的分辨率。不僅可以提升顯示效果，還能顯示更多的波形，充分說明了此方法的靈活性與實用性。

參考文獻

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實現(xiàn)量子點波形的自動標記是利用VGA顯示器光柵掃描從左至右，從上至下的掃描方式。如圖5所示，在分辨率為H×V的VGA顯示畫面中，假設要分別對波形圖上的A，B兩點做自動標記，根據本實驗中整條波形的RGB色彩是一致的特點，即為白色，即RGB色彩值為（255，255，255），Red為255，Green為255，Blue為255，設A點坐標為（XA，YA），則XA為掃描到的波形上的第1個點的橫坐標，且YA為場方向上的縱坐標最小值，于是即可在此坐標值上做下標記；同理，對于B點，令B點坐標為（XB，YB），YB為場方向最后一行掃描到的波形上的第一個點的縱坐標，且YB為縱坐標最大值，于是即可在此坐標值做下標記。圖6為加標記后的量子點波形圖，通過FPGA的控制和Verilog HDL，圓形標記能自動添加在量子點波形的最高（最低）轉折點和最高（最低）波峰點，這些標記有助于在量子點生長實驗中分析量子點的生長優(yōu)劣以及表面形貌的變化。

實現(xiàn)量子點波形的手動標記的重點在于標記的移動，本實驗中VGA顯示的分辨率為640×480，選取的時鐘為25 MHz，則由于對應的周期為40 ns，標記移動速度太快，無法觀測標記移動，經過多次實驗，在Verilog狀態(tài)機中選用18位的計數(shù)器，在FPGA的控制按鍵有效時，計數(shù)器每計到18個1時標記在VGA顯示器上移動一個像素點，實現(xiàn)標記上下左右任意位置的移動。

在圖6自動標記的基礎上，利用Verilog HDL定義FPGA上的控制按鍵，通過不同按鍵的控制，可使標記靈活地進行自定義的移動。

3 結 語

本實驗利用FPGA控制實現(xiàn)了STM?MBE量子點波形的VGA顯示，且同時實現(xiàn)了量子點波形圖的手動和自動標記，充分發(fā)揮了FPGA在實現(xiàn)圖像采集與控制方面的優(yōu)勢。經實踐證明實驗方法易于操作，且顯示效果好，成本低，十分便于在量子點生長實驗中分析量子點的生長狀況，描述量子點的表面形貌。本次實驗采取的VGA分辨率為640×480。在實際的實驗中，若單次顯示的量子點數(shù)量較多，還可根據需求選用更大的分辨率。不僅可以提升顯示效果，還能顯示更多的波形，充分說明了此方法的靈活性與實用性。

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實現(xiàn)量子點波形的自動標記是利用VGA顯示器光柵掃描從左至右，從上至下的掃描方式。如圖5所示，在分辨率為H×V的VGA顯示畫面中，假設要分別對波形圖上的A，B兩點做自動標記，根據本實驗中整條波形的RGB色彩是一致的特點，即為白色，即RGB色彩值為（255，255，255），Red為255，Green為255，Blue為255，設A點坐標為（XA，YA），則XA為掃描到的波形上的第1個點的橫坐標，且YA為場方向上的縱坐標最小值，于是即可在此坐標值上做下標記；同理，對于B點，令B點坐標為（XB，YB），YB為場方向最后一行掃描到的波形上的第一個點的縱坐標，且YB為縱坐標最大值，于是即可在此坐標值做下標記。圖6為加標記后的量子點波形圖，通過FPGA的控制和Verilog HDL，圓形標記能自動添加在量子點波形的最高（最低）轉折點和最高（最低）波峰點，這些標記有助于在量子點生長實驗中分析量子點的生長優(yōu)劣以及表面形貌的變化。

實現(xiàn)量子點波形的手動標記的重點在于標記的移動，本實驗中VGA顯示的分辨率為640×480，選取的時鐘為25 MHz，則由于對應的周期為40 ns，標記移動速度太快，無法觀測標記移動，經過多次實驗，在Verilog狀態(tài)機中選用18位的計數(shù)器，在FPGA的控制按鍵有效時，計數(shù)器每計到18個1時標記在VGA顯示器上移動一個像素點，實現(xiàn)標記上下左右任意位置的移動。

在圖6自動標記的基礎上，利用Verilog HDL定義FPGA上的控制按鍵，通過不同按鍵的控制，可使標記靈活地進行自定義的移動。

3 結 語

本實驗利用FPGA控制實現(xiàn)了STM?MBE量子點波形的VGA顯示，且同時實現(xiàn)了量子點波形圖的手動和自動標記，充分發(fā)揮了FPGA在實現(xiàn)圖像采集與控制方面的優(yōu)勢。經實踐證明實驗方法易于操作，且顯示效果好，成本低，十分便于在量子點生長實驗中分析量子點的生長狀況，描述量子點的表面形貌。本次實驗采取的VGA分辨率為640×480。在實際的實驗中，若單次顯示的量子點數(shù)量較多，還可根據需求選用更大的分辨率。不僅可以提升顯示效果，還能顯示更多的波形，充分說明了此方法的靈活性與實用性。

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