基于FPGA的VGA圖象信號發(fā)生器設(shè)計

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算機領(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)要求的時鐘頻率高達25MHz,使用傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計方法是難以實現(xiàn)的。采用專用的視頻處理芯片，其設(shè)計技術(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時性，其內(nèi)部集成的數(shù)字鎖相環(huán)為系統(tǒng)的工作時鐘提供的良好的穩(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)生行場掃描時序信號。很好地實現(xiàn)了圖象數(shù)據(jù)處理的實時性和穩(wěn)定性，達到了性能與價格的完美統(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展提供了很大的設(shè)計空間。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所需的工作時鐘由外部高精度有源晶振提供；單片機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）三基色組成，CRT用逐行掃描或隔行掃描的方式實現(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對電子束進行消隱，每行結(jié)束是用行同步信號HS進行行同步；掃描完所有行，再由場同步信號VS進行場同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時進行場消隱，預(yù)備下一場的掃描。行同步信號HS 和場同步信號VS是兩個重要的信號。顯示過程中，HS 和VS的極性可正可負，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的時序圖如圖2所示， T1為行同步消隱（約為6μs）；T2為行顯示時間（約為26μs）；T3為場同步消隱（兩個行周期）；T4為場顯示時間（480個行周期）。

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

　　對于VGA 顯示器的上述五個信號的時序驅(qū)動要嚴格遵循“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

4.1 圖像信號產(chǎn)生模塊的設(shè)計

        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20060個邏輯單元。最大用戶I/O數(shù) 104個。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)計中，而不會降低數(shù)據(jù)訪問的性能。并且還具有兩個可編程鎖相環(huán)（PLL）和八個全局時鐘線，能提供時鐘管理和頻率合成，實現(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)生時序驅(qū)動信號HS、VS及VGA彩色圖象編碼信號，同時在正確的時序控制下，輸出ROM中的象素數(shù)據(jù)至顯示器的VGA接口，進行圖象顯示。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掃描時序信號及各種圖象信號。

        VGA時序信號是圖象顯示的關(guān)鍵，行場掃描時序的產(chǎn)生，是利用邏輯編程的方法實現(xiàn)的，即用VHDL編寫分頻器，計時器模塊，來獲得T1、T2、T3、T4時序。當(dāng)輸出數(shù)字、彩條信號和棋盤格圖象時，由外部12M有源晶振提供時鐘輸入，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為兩個行周期(T1+T2)，T4為480個行周期。

 
        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行8等分，相當(dāng)于一個8×8的點陣，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，需采用像素點輸出，即將圖像各像素點的信息存儲于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ROM，采用CASE語句對其進行初始化，這種方法獲得的ROM在存儲深度較大時，編譯時對時間的開銷較大。ROM初始化完成后，在25MHz的時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。

        ROM定制的圖象信息是利用FPGA嵌入的存儲器定制LPM_ROM,可以用于存儲一幅64×64分辨率的圖像信息，數(shù)據(jù)線寬為3位，地址線12根，采用組合尋址方式，即行地址HSADDRESS占低6位，場地址VSADDRESS占高6位；若要顯示更為復(fù)雜的圖象信息，只需擴展存儲器及尋址的數(shù)據(jù)線寬度，為了保證行地址信號輸出與行掃描信號輸出同步，場地址信號輸出與場掃描信號輸出同步，在VHDL編程時，可用25MHz時鐘作為進程的啟動信號。輸出信號的時序波形如圖6所示。各種圖象信號的輸出是由數(shù)據(jù)選擇器通過VHDL編程實現(xiàn)的。

4.2 視頻輸出接口電路部分設(shè)計

         VGA 接口采用非對稱分布的15pin 連接方式，其工作原理是將顯存內(nèi)以數(shù)字格式存儲的圖像( 幀) 信號在RAMDAC 里經(jīng)過模擬調(diào)制成模擬高頻信號，然后進行輸出顯示，這樣VGA信號就不必像其它視頻信號那樣還要經(jīng)過矩陣解碼電路的換算。從視頻成像原理可知VGA的視頻傳輸過程是最短的，所以VGA 接口擁有許多的優(yōu)點，如無串?dāng)_、無電路合成分離損耗等。視頻輸出與VGA 接口如圖7。

4.3 模式控制與顯示部分設(shè)計

        為了實現(xiàn)人機對話，模式控制與顯示即人機接口的設(shè)計，選用LCD顯示器和矩陣鍵盤，使接口和顯示更加友好。要求能根據(jù)鍵盤掃描結(jié)果，控制不同的圖象信號輸出，并進行相應(yīng)的功能顯示。采用單片機89S51作為控制器，對鍵盤模塊和功能顯示模塊進行控制。用C語言編程，對鍵盤進行掃描和液晶顯示模塊的控制。當(dāng)然也可以對FPGA器件編程，實現(xiàn)對鍵盤模塊和功能顯示模塊的控制。但需占用FPGA器件的邏輯資源，會對定制圖像信息的存儲空間造成影響。

        本設(shè)計采用4×4矩陣式鍵盤，行、列線占用單片機8個I/O口資源，鍵盤掃描過程是列掃描行輸出，逐列掃描，讀取鍵值，根據(jù)讀回的值判斷所按鍵的位置，按鍵消抖采用延時消抖方式，根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)功能程序。顯示器采用TS-12864-3液晶顯示屏，由單片機控制及驅(qū)動，顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)等信息。

5、結(jié)束語

        隨著數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，其實時處理技術(shù)成為研究的熱點。EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)的迅猛發(fā)展為數(shù)字圖像實時處理技術(shù)提供了硬件基礎(chǔ)。其中FPGA的特點使其非常適用于進行一些基于像素級的圖像處理。 本文設(shè)計的基于FPGA的數(shù)字圖像實時生成系統(tǒng)，可以實現(xiàn)各種數(shù)字、文字、彩條、ROM圖像信號輸出。其圖像顯示控制器的系統(tǒng)處理耗時小于20ms，完全達到了實時要求(50場/秒)。所進行的原理試驗取得了良好的效果。

        本系統(tǒng)可以作為顯示器測試信號發(fā)生器，適用于顯示器生產(chǎn)廠或者維修人員 、計算機房、以及單位用戶、甚至個人用戶，進行無需連接主機的畫面演示、測試、檢查，和維修后調(diào)試，通過對標(biāo)準(zhǔn)圖形的觀察和分析，能夠判斷顯示器的總體性能或維修后效果。

         本設(shè)計還可以作一些擴展，如添加語音處理電路，實現(xiàn)圖像輸出時同步輸出語音；還可以外接大容量存儲器，采用8位二進制數(shù)據(jù)表示R、G、B三基色，實現(xiàn)256色輸出，使顯示的圖像色彩更加豐富。