基于FPGA及DSP Builder的VGA接口設(shè)計(jì)
VGA接口標(biāo)準(zhǔn)
VGA顯像原理
顯示器通過光柵掃描的方式,電子束在顯示屏幕上有規(guī)律地從左到右、從上到下掃描。在掃描過程中,受行同步信號控制,逐點(diǎn)往右掃,完成一行掃描的時間倒數(shù)為行頻;同時又在行同步脈沖期內(nèi)回到屏幕的左端,從上往下形成一幀,在垂直方向上受場同步信號控制,完成一幀的時間倒數(shù)為場頻。圖像的顯示過程即為在電子束掃描過程中,將地址與圖像的像素依次對應(yīng),每一個被尋址的像素只獲得其自身的控制信息,而與周圍的像素不發(fā)生干擾,從而可以顯示穩(wěn)定的圖像。
VGA接口是顯示卡上輸出模擬信號的接口,也叫D-Sub接口。這種接口上面共有15個針孔,分成3排,每排5個,通過模擬VGA接口顯示圖像的工作原理,將計(jì)算機(jī)內(nèi)部以數(shù)字方式生成的顯示圖像信息,通過顯卡中的ADC轉(zhuǎn)變?yōu)镽、G、B三基色信號和行、場同步信號,通過電纜傳輸?shù)斤@示設(shè)備中。
VGA時序
VGA的時序包括水平時序和垂直時序,且兩者都包含的時序參數(shù)有:水平(垂直)同步脈沖、水平(垂直)同步脈沖結(jié)束到有效顯示數(shù)據(jù)區(qū)開始之間的寬度(后沿)、有效顯示區(qū)寬度、有效數(shù)據(jù)顯示區(qū)結(jié)束到水平(垂直)同步脈沖寬度開始之間的寬度(前沿)。水平有效顯示區(qū)寬度與垂直有效顯示區(qū)寬度邏輯與的區(qū)域?yàn)榭梢晠^(qū)域,其他區(qū)域?yàn)橄[區(qū)。
一行或一場的時序信息如圖1所示。
圖1 行/場時序圖
根據(jù)目前的顯示器性能參數(shù),以LG 505E為例,其最大分辨率已可達(dá)到1024×768@60Hz,水平掃描頻率30kHz54kHz ,垂直掃描頻率50Hz120Hz,帶寬75MHz。
基于DSP Builder的VGA接口設(shè)計(jì)方法
本設(shè)計(jì)需要完成的功能包括產(chǎn)生VGA時序以及基于VGA接口的信號顯示。設(shè)計(jì)符合VGA接口標(biāo)準(zhǔn)的接口系統(tǒng),在該系統(tǒng)下可顯示一維矢量信號與二維圖像信號,并體現(xiàn)系統(tǒng)的可集成性,將該接口集成到SOPC系統(tǒng)中。
系統(tǒng)時鐘確定
根據(jù)系統(tǒng)時鐘計(jì)算公式:
時鐘頻率=(行像素?cái)?shù)+行消隱點(diǎn)數(shù))×(一場行數(shù)+消隱行數(shù))×刷新率。
對于標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口時序640×480@60Hz而言,時鐘頻率為800×525×60=25.175MHz。
在本設(shè)計(jì)中我們采用1024×768@60Hz的XGA顯示方式,因此系統(tǒng)的時鐘頻率PixelClk=1344×806×60=64.99MHz。
狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
由VGA時序可設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)來完成時序信號,以本設(shè)計(jì)1024×768@60Hz為例,對于行同步信號設(shè)計(jì)四個狀態(tài),即行同步脈沖信號區(qū)(horsync)、后沿區(qū)(backporch)、數(shù)據(jù)區(qū)(video)以及前沿區(qū)(frontporch)。用計(jì)數(shù)器hcnt的值來區(qū)分各階段信號,最大記數(shù)值為1344。場同步信號也設(shè)計(jì)成如上四個狀態(tài),當(dāng)完成一行的掃描后場計(jì)數(shù)器vcnt開始計(jì)數(shù),因此一場可以有多行。
VGA DAC芯片及相應(yīng)信號的生成
一般的VGA DAC芯片需要輸入相應(yīng)的驅(qū)動信號才能工作,包括時鐘信號、同步信號、有效顯示區(qū)信號等。系統(tǒng)所用DAC芯片為FMS3818,其信號包括時鐘與數(shù)據(jù)信號(RGB)輸入、控制信號輸入(sync與blankn)以及RGB信號DA輸出。行同步與場同步信號與經(jīng)VGA DAC產(chǎn)生的RGB數(shù)據(jù)信號一并輸出到VGA接口,驅(qū)動CRT顯示。在本設(shè)計(jì)中時鐘信號65MHz、同步信號為horsync與versync相與產(chǎn)生,有效顯示區(qū)信號為行與場的有效數(shù)據(jù)區(qū)信號相與產(chǎn)生。
一維矢量信號顯示方式
在二維的空間中顯示一維矢量信號,常規(guī)顯示方法可以是將一維信號從左至右顯示,如圖2(a)所示,就如在普通的示波器上觀察到的一樣。這樣,在VGA顯示時,一行掃過多個采樣點(diǎn),需把要顯示的采樣點(diǎn)位置計(jì)算出來,當(dāng)行信號掃過時,把采樣點(diǎn)的值賦給像素點(diǎn),就完成了信號的顯示。而對于連續(xù)的一維信號,因?yàn)樾蓄l比場頻高,圖2(b)的顯示方法更加合理。為此,將一維信號的時間軸映射到垂直方向上,幅值映射到水平方向上,當(dāng)行掃描信號掃過一行時,映射一維信號的一個采樣點(diǎn),即一行信號對應(yīng)一個像素,當(dāng)完成一行信號后接著回掃,開始掃下一行。一般情況下,場頻確定后,就可以根據(jù)一維信號的頻率確定出一場可以顯示的周期數(shù),當(dāng)完成一場信號后,在屏幕上就顯示一幀圖像。
在具體實(shí)現(xiàn)時,需要對一維正弦波信號的參數(shù)作兩點(diǎn)控制:控制正弦波的頻率,保證一行掃描對應(yīng)一個采樣點(diǎn);控制正弦波的幅度,將其控制在1024×768的有效顯示區(qū)域中。
對正弦波頻率來說,如果頻率太高,一行會掃到多個采樣點(diǎn);如果頻率太低,一整屏無法顯示一個完整周期的信號。在本設(shè)計(jì)中,用一個較低的采樣時鐘控制正弦波的采樣,正弦波存放在一個查找表中。如果要在一屏中顯示n個周期的正弦信號,那么需要的采樣頻率fs=刷新率×n×查找表中一個周期的點(diǎn)數(shù)。
控制正弦波幅度即讓正弦波的最大值不能超出屏幕的顯示區(qū)。VGA有效顯示寬度為1024,則屏幕兩端的空閑部分寬度(圖2(a)和(c))都為100。
(a) (b)
圖2 一維正弦波VGA顯示示意圖
二維圖像信號的顯示方式
二維圖像的顯示過程較一維信號容易實(shí)現(xiàn)。對二維圖像,可以將二維圖像信號轉(zhuǎn)變成一維像素序列。在屏幕顯示區(qū)域內(nèi),當(dāng)行與場同步信號掃過時,將該像素點(diǎn)對應(yīng)的RGB值進(jìn)行賦值,就可以完成二維圖像的顯示。對于本設(shè)計(jì),VGA時序?yàn)?024×768模式,圖像的像素?cái)?shù)在這個范圍內(nèi)可以完全在屏幕上顯示,不會發(fā)生像素丟失。如果圖像比較小,還可以將圖像控制在屏幕的任意區(qū)域內(nèi)。由于圖像大小受存儲空間限制,如果想要實(shí)現(xiàn)更高像素點(diǎn)的圖像,就必須借用外部的SRAM或SDRAM來做圖像緩存。
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