基于CPLD的VGA視頻顯示系統(tǒng)的設(shè)計

　　引言

　　顯示系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活中扮演著越來越重要的角色，因此，對其進(jìn)行設(shè)計與研究具有十分重要的意義。

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device；復(fù)雜可編程邏輯器件)具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)等優(yōu)點，用戶可根據(jù)自身需要構(gòu)造數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，從而實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)。CPLD的應(yīng)用目前已深入網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、汽車電子、數(shù)控機(jī)床、航天測控設(shè)備等領(lǐng)域，其設(shè)計及應(yīng)用成為電子工程師必備的一項技能。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　XC95144XL是XILINX公司推出的5ns引腳延遲、系統(tǒng)頻率高達(dá)178MHz、144個宏單元、3200個可用邏輯門單元的可編程邏輯器件。本設(shè)計采用XC95144XL作為數(shù)據(jù)傳輸與控制核心模塊，接受來自TMS320C6416T的視頻數(shù)據(jù)，并采用兩片IS61WV51216ALL組成緩存，以達(dá)到實時輸入輸出數(shù)據(jù)的效果。本部分實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 視頻顯示功能框圖

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括：TMS320C6416T與VGA顯示系統(tǒng)的接口設(shè)計；2片IS61WV51216ALL SRAM組成的緩存模塊；視頻DAC模塊。

　　TMS320C6416T與VGA顯示系統(tǒng)的接口設(shè)計

　　來自4片TMS320C6416T的圖像處理機(jī)的EMIFB口連接在一起，并通過CPLD的仲裁，使能哪一塊圖像處理機(jī)輸出數(shù)據(jù)至VGA顯示系統(tǒng)。

　　采用C6416T的EMIFB口輸出處理結(jié)果，當(dāng)1片C6416T要求輸出數(shù)據(jù)時，C6416T要通過GP01向CPLD發(fā)送輸出數(shù)據(jù)請求，CPLD根據(jù)內(nèi)部邏輯確定是否允許C6416T請求。內(nèi)部邏輯準(zhǔn)則如下：

　　各個DSP的輸出數(shù)據(jù)請求優(yōu)先級別相等，請求信號先到者先被允許，后到者不能中斷正在響應(yīng)的請求。對于同時到來的請求，CPLD響應(yīng)先接收到原始視頻信號的C6416T。
　　當(dāng)CPLD響應(yīng)一個C6416T的輸出數(shù)據(jù)請求時，CPLD向C6416T的BHOLD#信號發(fā)送響應(yīng)信號（對EMIFB的保持請求輸入信號）。此時，數(shù)據(jù)開始輸出。
　　2片IS61WV51216ALL SRAM組成的緩存模塊

　　2片XC95144XL各自連接1片IS61WV51216ALL組成的圖像緩存模塊。

　　實時顯示控制：由CPLD對各個6416T圖像處理機(jī)數(shù)據(jù)輸出接口（EMIFB）總線進(jìn)行總線仲裁，實現(xiàn)各個6416T圖像處理機(jī)的圖像數(shù)據(jù)分時輸出。由于VGA的刷新頻率大于輸入信號的頻率，因此采用兩片SRAM“乒乓存取”工作方式，組成了圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每片SRAM存放一幀圖像，由CPLD控制其乒乓讀寫切換以達(dá)到實時顯示效果。數(shù)據(jù)緩存電路框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)緩存電路框圖

　　采用一組SRAM作為顯存，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計、降低成本。這時可以考慮利用行時序和幀時序中SRAM總線空閑的時序段，在不關(guān)閉圖像顯示的情況下實現(xiàn)顯存SRAM的數(shù)據(jù)更新。該方法的更新率與數(shù)據(jù)寫速度密切相關(guān)，顯存的寫數(shù)據(jù)速度越快，該方法的更新率就越高。

　　視頻DAC模塊

　　ADV7123是一個三路10位輸入的高速視頻DAC，具有330MHz的最大采樣速度，與多種高精度的顯示系統(tǒng)兼容，包括RS-343A和RS-170，可以廣泛應(yīng)用于如HDTV、數(shù)字視頻系統(tǒng)(1600*1200 @100Hz)、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現(xiàn)等，因此能夠滿足多方面應(yīng)用需求。視頻DAC（ADV7123）工作原理如圖3所示。

圖3 ADV7123工作原理

　　CPLD提供Hsync(行)、Vsync(場)同步信號，直接接入15針的VGA顯示接口連接器。在點時鐘脈沖pixel clock的作用下將3路10位的RGB信號送入數(shù)據(jù)寄存器，而后送到3個DAC模塊，復(fù)合消隱信號和復(fù)合同步信號加到紅、綠、藍(lán)模擬信號送到輸出端。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計是本文的重點，主要包括三部分內(nèi)容：SRAM讀寫狀態(tài)機(jī)的設(shè)計、CPLD與SRAM的緩沖模塊通信以及VGA時序設(shè)計。

　　SRAM讀寫狀態(tài)機(jī)的設(shè)計

　　以6416為核心的圖象處理機(jī)通過外部存儲器接口向外傳送數(shù)據(jù)，連接到后端的顯示系統(tǒng)；但SRAM需要嚴(yán)格的通信時序確保數(shù)據(jù)的完整性，此處在CPLD內(nèi)部通過狀態(tài)機(jī)構(gòu)造SRAM的讀時序和寫時序，確保了6416能夠和SRAM正常通信，也確保緩沖模塊的正常運行。讀寫SRAM的時序圖如圖4和圖5所示。

圖4 讀周期時序圖

圖5 寫周期時序圖

　　當(dāng)從SRAM中讀取數(shù)據(jù)時：首先使能片選；UB、LB時鐘處于有效狀態(tài)；WE為高，時鐘處于無效狀態(tài)；主要由OE的時序來控制使其符合讀時序圖，才能正確地讀出存儲器中的數(shù)據(jù)。在向SRAM中寫入數(shù)據(jù)時，同樣首先使能片選；UB、LB時鐘處于有效狀態(tài)；OE為高，時鐘處于無效狀態(tài)；主要由WE的時序來控制使之符合寫時序圖，才能向存儲器正確寫入數(shù)據(jù)。

　　CPLD與SRAM組成的緩沖模塊的通信

　　CPLD與SRAM組成的緩沖通信模塊，即如何乒乓讀寫SRAM機(jī)制。設(shè)定一個讀寫標(biāo)志FLAG，當(dāng)一塊SRAM寫滿一幀圖像時，F(xiàn)LAG會出現(xiàn)“1”到“0”或者“0”到“1”的跳變，同時切換數(shù)據(jù)流的流向，寫另一塊SRAM，同時切換輸出至后級DAC的數(shù)據(jù)流；如此循環(huán)，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 緩沖模塊通信軟件流程圖

　　VGA時序發(fā)生器設(shè)計

　　VGA標(biāo)準(zhǔn)時序參考圖如圖7所示，并用VERILOGHDL設(shè)計For VESA 800*600 @ 60Hz:VGA時序的源代碼：

圖7 VGA標(biāo)準(zhǔn)時序參考圖

　　系統(tǒng)分析

　　經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉藬?shù)據(jù)實時傳送到顯示器上，具體性能指標(biāo)如下：

　　視頻輸出：VGA視頻輸出
　　視頻顯示DA轉(zhuǎn)換精度： 10bit
　　圖像輸出標(biāo)準(zhǔn)： SVGA（75Hz， 800×600）
　　顯示分辨率: 10bit
　　結(jié)語

　　該VGA視頻顯示系統(tǒng)不但可以穩(wěn)定地采集圖像數(shù)據(jù)，而且可以實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺RT顯示器，便于以后人工綜合分析、處理。它特別適用于大型商場等顯示端，可以說是一個理想的解決方案。