基于FPGA的VGA圖象信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、引言

VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口在視頻和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA圖像信號發(fā)生器是電視臺、電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、電視維修人員常用的儀器，其主要功能就是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的圖像測試信號。

VGA圖像信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)涉及到圖像數(shù)據(jù)的處理，對電路的工作速度和性能要求較高，VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)鐘頻率高達(dá)25MHz,使用傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)方法是難以實(shí)現(xiàn)的。采用專用的視頻處理芯片，其設(shè)計(jì)技術(shù)難度大、開發(fā)成本高。本文采用FPGA＋MCU方案，利用了Cyclone系列的FPGA高達(dá)上百兆的工作頻率特性為圖像數(shù)據(jù)處理提供了良好的實(shí)時(shí)性，其內(nèi)部集成的數(shù)字鎖相環(huán)為系統(tǒng)的工作時(shí)鐘提供的良好的穩(wěn)定性，其內(nèi)部嵌入的存儲器可以存儲一定容量的圖像信息，豐富的I/O資源可以隨即擴(kuò)展外接大容量存儲器的特性，因此由 FPGA完成對圖像數(shù)據(jù)的處理及產(chǎn)生行場掃描時(shí)序信號。很好地實(shí)現(xiàn)了圖象數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，達(dá)到了性能與價(jià)格的完美統(tǒng)一。此外，F(xiàn)PGA的電路可重構(gòu)性，為系統(tǒng)功能更改和升級以及功能擴(kuò)展提供了很大的設(shè)計(jì)空間。由微控制器完成功能設(shè)置與控制，如鍵盤掃描，模式選擇與顯示控制等。

2、系統(tǒng)的工作原理和組成框圖

FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過對其編程可輸出RGB三基色信號和HS 、VS行場掃描同步信號。當(dāng) FPGA接受單片機(jī)輸出的控制信號后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器模塊根據(jù)控制信號選通相應(yīng)的圖像生成模塊，輸出圖像信號，與行場掃描時(shí)序信號一起通過15針D型接口電路送入VGA顯示器，在VGA顯示器上便可以看到對應(yīng)的彩色圖像。FPGA所需的工作時(shí)鐘由外部高精度有源晶振提供；單片機(jī)控制器分析鍵盤掃描結(jié)果，控制液晶顯示模塊顯示相應(yīng)的功能，由LCD顯示輸出圖象和按鍵控制模式，并送出相應(yīng)控制信號給FPGA，系統(tǒng)原理框圖如圖1。

3、VGA顯示器原理

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示模式為：640×468×16色×60Hz。常見的彩色顯示器，一般由CRT (陰極射線管)構(gòu)成，彩色是由R、G、B（紅、綠、藍(lán)）三基色組成，CRT用逐行掃描或隔行掃描的方式實(shí)現(xiàn)圖像顯示，由VGA控制模塊產(chǎn)生的水平同步信號和垂直同步信號控制陰極射線槍產(chǎn)生的電子束，打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生R、G、B三基色，合成一個(gè)彩色像素。掃描從屏幕的左上方開始，由左至右，由上到下，逐行進(jìn)行掃描，每掃完一行，電子束回到屏幕下一行的起始位置，在回掃期間，CRT對電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束是用行同步信號HS進(jìn)行行同步；掃描完所有行，再由場同步信號VS進(jìn)行場同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時(shí)進(jìn)行場消隱，預(yù)備下一場的掃描。行同步信號HS 和場同步信號VS是兩個(gè)重要的信號。顯示過程中，HS 和VS的極性可正可負(fù)，顯示器內(nèi)可自動轉(zhuǎn)換為正極性邏輯。

行同步信號HS和場同步信號VS的時(shí)序圖如圖2所示， T1為行同步消隱（約為6μs）；T2為行顯示時(shí)間（約為26μs）；T3為場同步消隱（兩個(gè)行周期）；T4為場顯示時(shí)間（480個(gè)行周期）。

行同步信號HS和場同步信號VS與圖象信號R、G、B的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

　　對于VGA 顯示器的上述五個(gè)信號的時(shí)序驅(qū)動要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640×480×60HZ模式，否則無法顯示正確地圖象。

VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率：

　　時(shí)鐘頻率：25.175MHz(像素輸出的頻率)
　　行頻： 31469Hz
　　場頻： 59.94Hz（每秒圖像刷新頻率）
　　圖象信號顯示的顏色種類與表示R、G、B三基色的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)有關(guān)，表1列出了8種顏色的編碼方式。

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 圖像信號產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)

產(chǎn)生圖像信號的核心器件采用Altera公司的Cyclone FPGA芯片EP1C3T144C8N。它具有多達(dá)20060個(gè)邏輯單元。最大用戶I/O數(shù) 104個(gè)。器件中M4K存儲塊提供288kbit存儲容量，能夠被配置來支持多種操作模式，包括RAM、ROM、FIFO及單口和雙口模式。

Cyclone器件具有高級外部存儲器接口，允許設(shè)計(jì)者將外部單數(shù)據(jù)率（SDR）SDRAM，雙數(shù)據(jù)率（DDR）、SDRAM和 DDR FCRAM 器件集成到復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不會降低數(shù)據(jù)訪問的性能。并且還具有兩個(gè)可編程鎖相環(huán)（PLL）和八個(gè)全局時(shí)鐘線，能提供時(shí)鐘管理和頻率合成，實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)功能。根據(jù)VGA顯示原理，圖象信號產(chǎn)生器的主要功能是：產(chǎn)生時(shí)序驅(qū)動信號HS、VS及VGA彩色圖象編碼信號，同時(shí)在正確的時(shí)序控制下，輸出ROM中的象素?cái)?shù)據(jù)至顯示器的VGA接口，進(jìn)行圖象顯示。FPGA內(nèi)部電路原理結(jié)構(gòu)如圖4。本文利用Altera公司QuartusⅡ6.0開發(fā)平臺，遵循自頂向下的設(shè)計(jì)方法，針對各功能模塊，采用VHDL語言對FPGA器件編程，產(chǎn)生HS和VS掃描時(shí)序信號及各種圖象信號。

VGA時(shí)序信號是圖象顯示的關(guān)鍵，行場掃描時(shí)序的產(chǎn)生，是利用邏輯編程的方法實(shí)現(xiàn)的，即用VHDL編寫分頻器，計(jì)時(shí)器模塊，來獲得T1、T2、T3、T4時(shí)序。當(dāng)輸出數(shù)字、彩條信號和棋盤格圖象時(shí)，由外部12M有源晶振提供時(shí)鐘輸入，其中行頻HS：12MHZ ÷13÷29=31830Hz、場頻VS：31830Hz÷480×0.93=61.67Hz、T1=1/31830Hz×4/29=25.96us、T2=1/31830Hz×5/29=6.04us、T3為兩個(gè)行周期(T1+T2)，T4為480個(gè)行周期。

圖象信號包括數(shù)字、彩條、棋盤格，和ROM中定制的圖形等。數(shù)字信號和彩條信號的產(chǎn)生是按行場方向?qū)⑵聊桓鬟M(jìn)行8等分，相當(dāng)于一個(gè)8×8的點(diǎn)陣，在對應(yīng)位置顯示相應(yīng)顏色即可獲得所需圖像信號；棋盤格信號是將橫彩條和豎彩條相異或獲得。ROM中定制的較為復(fù)雜的彩色圖像，需采用像素點(diǎn)輸出，即將圖像各像素點(diǎn)的信息存儲于ROM中，再以一定的頻率輸出。FPGA器件ROM的定制有兩種方法：第一種方法是利用FPGA器件的嵌入式存儲器定制LPM_ROM,用.MIF文件或.HEX文件對其進(jìn)行初始化，這種方法獲得的ROM最大尋址空間為2 12，可以存儲一幅分辨率為64×64的圖像信息；第二種方法是在FPGA邏輯資源的限度內(nèi)用VHDL語言定制一個(gè)ROM，采用CASE語句對其進(jìn)行初始化，這種方法獲得的ROM在存儲深度較大時(shí)，編譯時(shí)對時(shí)間的開銷較大。ROM初始化完成后，在25MHz的時(shí)鐘頻率下輸出存儲的圖像信息。其圖象顏色種類的多少取決于存儲空間的大小。