FPGA圖像處理實(shí)戰(zhàn)：VGA接口與時(shí)序詳解
在FPGA圖像處理領(lǐng)域，VGA（Video Graphics Array）接口作為一種經(jīng)典的視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活而廣泛應(yīng)用。本文將深入探討FPGA中VGA接口的工作原理、時(shí)序參數(shù)以及相關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，為FPGA圖像處理實(shí)戰(zhàn)提供詳盡的技術(shù)指導(dǎo)。
一、VGA接口概述
VGA接口，全稱(chēng)為Video Graphics Array，是IBM公司在1987年推出的一種使用模擬信號(hào)的視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該接口通過(guò)傳輸紅、綠、藍(lán)三原色信號(hào)以及行同步（HSYNC）和場(chǎng)同步（VSYNC）信號(hào)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的顯示。VGA接口具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
二、VGA接口工作原理
VGA接口的工作原理基于逐行掃描技術(shù)。電子束從屏幕的左上角開(kāi)始，從左向右逐行掃描，每掃描完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，同時(shí)CRT（陰極射線管）對(duì)電子束進(jìn)行消隱。當(dāng)掃描完所有的行，形成一幀圖像后，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕左上方，開(kāi)始下一幀的掃描。
三、VGA時(shí)序參數(shù)
VGA時(shí)序包含行時(shí)序和場(chǎng)時(shí)序兩部分，它們是控制圖像顯示的關(guān)鍵參數(shù)。
1. 行時(shí)序參數(shù)
行同步（HSYNC）：用于每行掃描的同步信號(hào)，保持低電平一段時(shí)間，其余時(shí)間保持高電平。
行消隱（Hor Back Porch）：行同步信號(hào)之后的消隱區(qū)域，不顯示圖像數(shù)據(jù)。
行視頻有效（Hor Active Video）：實(shí)際顯示圖像數(shù)據(jù)的區(qū)域。
行前肩（Hor Front Porch）：行視頻有效區(qū)域之前的過(guò)渡區(qū)域。
一行總像素?cái)?shù)（H_TOTAL）由這四個(gè)部分組成：H_TOTAL = H_SYNC + H_BACK + H_ACTIVE + H_FRONT。
2. 場(chǎng)時(shí)序參數(shù)
場(chǎng)同步（VSYNC）：用于每幀掃描的同步信號(hào)，與行同步類(lèi)似，保持低電平一段時(shí)間，其余時(shí)間保持高電平。
場(chǎng)消隱（Ver Back Porch）：場(chǎng)同步信號(hào)之后的消隱區(qū)域，不顯示圖像數(shù)據(jù)。
場(chǎng)視頻有效（Ver Active Video）：實(shí)際顯示圖像幀的區(qū)域。
場(chǎng)前肩（Ver Front Porch）：場(chǎng)視頻有效區(qū)域之前的過(guò)渡區(qū)域。
一場(chǎng)總行數(shù)（V_TOTAL）同樣由這四個(gè)部分組成：V_TOTAL = V_SYNC + V_BACK + V_ACTIVE + V_FRONT。
四、FPGA實(shí)現(xiàn)VGA接口
在FPGA中實(shí)現(xiàn)VGA接口，需要精確控制時(shí)序信號(hào)的生成和圖像數(shù)據(jù)的輸出。以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)現(xiàn)步驟：
時(shí)鐘分頻：根據(jù)所需的分辨率和刷新率，通過(guò)PLL（鎖相環(huán)）或分頻器生成像素時(shí)鐘。
時(shí)序控制：根據(jù)VGA時(shí)序參數(shù)，編寫(xiě)邏輯控制行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)的生成。這通常涉及計(jì)數(shù)器的使用，以跟蹤當(dāng)前掃描的行數(shù)和像素?cái)?shù)。
圖像數(shù)據(jù)處理：在像素時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)當(dāng)前掃描的位置，從圖像緩沖區(qū)中讀取相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，并輸出到VGA接口。
數(shù)模轉(zhuǎn)換：由于VGA接口傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，因此需要將FPGA輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。這可以通過(guò)專(zhuān)用的視頻轉(zhuǎn)換芯片（如ADV7123）實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)電阻匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)模轉(zhuǎn)換。
五、示例代碼
以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的VGA接口控制模塊的代碼示例（使用Verilog語(yǔ)言）：
verilog
module vga_controller(
input clk,
input rst_n,
output reg vga_hsync,
output reg vga_vsync,
// 其他輸出信號(hào)...
);
parameter H_SYNC = 10'd96;
parameter H_BACK = 10'd48;
parameter H_ACTIVE = 10'd640;
parameter H_FRONT = 10'd16;
parameter H_TOTAL = H_SYNC + H_BACK + H_ACTIVE + H_FRONT;
parameter V_SYNC = 10'd2;
parameter V_BACK = 10'd33;
parameter V_ACTIVE = 10'd480;
parameter V_FRONT = 10'd10;
parameter V_TOTAL = V_SYNC + V_BACK + V_ACTIVE + V_FRONT;
reg [11:0] x_cnt = 0;
reg [11:0] y_cnt = 0;
下載文檔
