基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)

作者：王恒心　熊慶國(guó)　王鑫　陳禮敏

VGA(視頻圖形陣列Video Graphics Array)是IBM在1987年隨PS/2機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，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)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前 VGA技術(shù)的應(yīng)用還主要基于 VGA顯示卡的，而在一些既要求顯示彩色高分辨率圖像又不使用計(jì)算機(jī)的設(shè)備上，VGA技術(shù)的應(yīng)用卻很少。本文對(duì)基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。

基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)，可以在不使用 VGA顯示卡的情況下實(shí)現(xiàn) VGA圖像的顯示和控制。該系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)。

1 基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)介

通用 VGA顯示卡系統(tǒng)主要由控制電路、顯示緩存區(qū)和視頻 BIOS程序三個(gè)部分組成。其控制電路主要完成時(shí)序發(fā)生、顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作等功能;顯示緩沖區(qū)提供顯示數(shù)據(jù)緩存空間;視頻BIOS作為控制程序固化在顯示卡的 ROM中。在基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以使用很少的資源，就產(chǎn)生 VGA各種控制信號(hào)，達(dá)到顯示彩色高分辨率圖像的要求，而不需用 VGA顯示卡和計(jì)算機(jī)設(shè)備。圖 1是基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖中FPGA采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672C這款 FPGA.Cyclone II器件采用 90nm、低 K值電介質(zhì)工藝，通過(guò)使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。EP2C35F672C該芯片提供了 33216個(gè)邏輯單元 ,包括了嵌入式 18*18位乘法器、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、 4KB嵌入式存儲(chǔ)器件、4個(gè)鎖相環(huán)和高速差分 I/O等功能。該芯片的工作頻率和引腳 IO等資源都能很好的滿足本系統(tǒng)的要求.FPGA的工作時(shí)鐘為 54MHz。

VGA接口芯片采用了 ADV7125，該芯片是美國(guó) ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz四個(gè)等級(jí)。ADV7125在單芯片上整合了三組 8位高速 D/A轉(zhuǎn)換器，可以分別處理紅、綠、藍(lán)視頻數(shù)據(jù)，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速 D/A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用系統(tǒng)。 ADV7125的輸入及控制信號(hào)非常簡(jiǎn)單：3組 8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對(duì)應(yīng) RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標(biāo)準(zhǔn) TTL電平接口;4條視頻控制信號(hào)線包括復(fù)合同步信號(hào) SYNC、消隱信號(hào) BLANK、白電平參考信號(hào) REF WHITE和像素時(shí)鐘信號(hào) CLOCK;外接一個(gè) 1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和 1個(gè)輸出滿度調(diào)節(jié)。只有 4條輸出信號(hào)線：模擬 RGB信號(hào)采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅(qū)動(dòng) 75Ω同軸傳輸線。

2模塊劃分與模塊功能定義

FPGA中包含了四個(gè)工作模塊： VGA時(shí)序發(fā)生器模塊、VGA圖像顯示調(diào)色板模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)控制器。由于 ADV7125內(nèi)部沒(méi)有顏色的轉(zhuǎn)換器 ,所以當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)為 YUV信號(hào)時(shí)，就要把 YUV信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RGB信號(hào),這一功能就是由 VGA圖像顯示調(diào)色板模塊完成的，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)為 RGB信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)?ADV7125，不需調(diào)色板進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)控制器解決了顯示數(shù)據(jù)的來(lái)源和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。用 FPGA對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和整理，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路需要的各種控制波形由視頻控制器對(duì)顏色緩沖器進(jìn)行掃描，其中視頻控制器可以讀取像素顏色，用這些顏色來(lái)控制輸出設(shè)備的亮度。

VGA時(shí)序發(fā)生器模塊產(chǎn)生顯示器所需的時(shí)序，這是完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，時(shí)序稍有偏差，顯示必然不正常，甚至?xí)p壞彩色顯示器。

3、 VGA時(shí)序分析

顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在 CRT(陰極射線管)屏幕上從左到右(受水平同步信號(hào) HSYNC控制)、從上到下(受垂直同步信號(hào) VSYNC控制)做有規(guī)律的移動(dòng)。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描指電子束在掃描時(shí)每隔一行掃一線，完成一屏后再返回來(lái)掃描剩下的線，與電視機(jī)的原理一樣。隔行掃描的顯示器掃描閃爍的比較厲害，會(huì)讓使用者的眼睛疲勞。目前微機(jī)所用顯示器幾乎都是逐行掃描。逐行掃描是指掃描從屏幕左上角一點(diǎn)開(kāi)始，從左向右逐點(diǎn)進(jìn)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，在這期間，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行行同步;當(dāng)掃描完所有行，形成一幀時(shí)，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時(shí)進(jìn)行行場(chǎng)消隱，開(kāi)始下一幀的掃描。

完成一行掃描所需時(shí)間稱為水平掃描時(shí)間，其倒數(shù)稱為行頻率;完成一幀(整屏)掃描所需的時(shí)間稱為垂直掃描時(shí)間，其倒數(shù)為垂直掃描頻率，又稱刷新頻率，即刷新一屏的頻率。常見(jiàn)的有 60Hz、75Hz等。

VGA 顯示器要正確顯示圖像關(guān)鍵還是如何實(shí)現(xiàn) VGA時(shí)序。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)( VESA, Video Electronics Standards Association)對(duì)顯示器時(shí)序進(jìn)行了規(guī)范。 VGA的標(biāo)準(zhǔn)參考顯示時(shí)序如圖 2、圖 3所示。行時(shí)序和場(chǎng)時(shí)序都需要產(chǎn)生同步脈沖(Sync a)、顯示后沿 (Back porch b)、顯示時(shí)序段(Display interval c)和顯示前沿 (Front porch d)四個(gè)部分。 VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)顯示模式要求：行同步、場(chǎng)同步都為負(fù)極性，即同步頭脈沖要求是負(fù)脈沖。

VGA的行時(shí)序如圖 2所示：每一行都有一個(gè)負(fù)極性行同步脈沖( Sync a)，是數(shù)據(jù)行的結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)也是下一行的開(kāi)始標(biāo)志。在同步脈沖之后為顯示后沿 (Back porch b)，在顯示時(shí)序段(Display interval c)顯示器為亮的過(guò)程，RGB數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)一行上的每一個(gè)象素點(diǎn)，從而顯示一行。在一行的最后為顯示后沿(Back porch b)。在顯示時(shí)序段( Display interval c)之外沒(méi)有圖像投射到屏幕時(shí)插入消隱信號(hào)。同步脈沖(Sync a)、顯示后沿(Back porch b)和顯示前沿(Front porch d)都是在行消隱間隔內(nèi)( Horizontal Blanking Interval)，當(dāng)行消隱有效時(shí)， RGB 信號(hào)無(wú)效，屏幕不顯示數(shù)據(jù)。

VGA的場(chǎng)時(shí)序與 VGA的行時(shí)序基本一樣，如圖 3所示，每一幀的負(fù)極性幀同步脈沖(Sync a)是一幀的結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)也是下一幀的開(kāi)始標(biāo)志。而顯示數(shù)據(jù)是一幀的所有行數(shù)據(jù)。

幾種常用的時(shí)序參數(shù)如表 1和表2 所示，首先，根據(jù)顯示器的性能選擇一種合適的VGA模式，然后由象素時(shí)鐘頻率和圖像分辨率計(jì)算出行總周期數(shù)，再把表 1和表 2中給出的 a、 b、c、d各時(shí)序段的時(shí)間按照象素計(jì)數(shù)脈沖源頻率折算成時(shí)鐘周期數(shù)。在 FPGA/CPLD中用計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器，以計(jì)算出的各時(shí)序段時(shí)鐘周期數(shù)為基準(zhǔn)，產(chǎn)生不同寬度和周期的脈沖信號(hào)，再利用它們的邏輯組合構(gòu)成圖 2和圖 3中的 a、b、c、d各時(shí)序段以及 ADV7125的空白信號(hào) BLANK和同步信號(hào) SYNC。

一個(gè)示例就是 60Hz時(shí) 1280×1024分辨率顯示的 VESA標(biāo)準(zhǔn)，在 60Hz時(shí)，屏幕每16.67毫秒更新一次。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定了幀大小，用它來(lái)定義分辨率和回掃次數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于分辨率大小為 1280×1024來(lái)說(shuō)，幀的大小為 1688×1066，這個(gè)大小與像素時(shí)鐘(Pixel Clock)有關(guān)，所謂像素時(shí)鐘就是對(duì)像素的刷新頻率。像素時(shí)鐘為 1688×1066×60Hz 或者 108 兆 Hz(MHz)時(shí)，每個(gè)像素的刷新頻率也就是大約 9.26納秒，那么行頻就為 60×1066=63960 行/秒，也就是用顯示器的幀率乘以掃描線數(shù)量?？梢杂脦笮〉玫娇v向回掃次數(shù)，為了得到縱向同步長(zhǎng)度(Sync Length)，可以從縱向幀大小減去縱向分辨率，也就是 1066-1024=42。這樣，縱向回掃花費(fèi)的時(shí)間和在屏幕上繪出 42 條線的時(shí)間相同，對(duì)于縱向回掃來(lái)說(shuō)需要的時(shí)間為 42×1688×9.26 納秒(656 微秒)。

在顯示時(shí)序段( Display interval c)，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)控制器從數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀取像素顏色，用這些顏色來(lái)控制輸出設(shè)備(顯示器)的亮度。一幀圖像就準(zhǔn)確的顯示到 VGA顯示器上。

表 1：VGA行時(shí)序說(shuō)明

4、 VGA顯示器在雷達(dá)圖像顯示中的應(yīng)用

最初,雷達(dá)顯示器到重要作用,在于使雷達(dá)接收機(jī)到數(shù)據(jù)以一種可視的形式表現(xiàn)出來(lái).操作員可以輕易而精確地檢測(cè)目標(biāo)的出現(xiàn),提取目標(biāo)的位置信息.隨著數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理的進(jìn)步,越來(lái)越多的檢測(cè)和信息提取過(guò)用電子方法自動(dòng)完成,因此操作員的任務(wù)越來(lái)越少.現(xiàn)在雷達(dá)顯示器更像電視監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)顯示器,可以顯示完整的連續(xù)場(chǎng)景.

雷達(dá)獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標(biāo)方式,所以早期船用雷達(dá)顯示器是一種平面位置顯示器,用極坐標(biāo)表示,采用徑向圓掃描方式,在這種掃描方式中,熒光屏上掃描線線徑向掃描的數(shù)率取決于量程的大小.掃描線選轉(zhuǎn)的速度取決于天線的轉(zhuǎn)速.物標(biāo)回波的亮度取決于回波視頻的信號(hào)的幅度.物標(biāo)回波及各種符號(hào)視頻在屏上只能是天線每轉(zhuǎn)一圈才能亮一下,在整個(gè)平面上亮度不均,且量程小,回波亮度越低,容易丟失小目標(biāo).精確保存物標(biāo)距離信息非常勉強(qiáng).目標(biāo)分辨力差,在屏上畫(huà)其他符號(hào)十分麻煩、困難,且符號(hào)量有限.

隨著VGA顯示器廣泛應(yīng)用,VGA顯示器也開(kāi)始應(yīng)用在雷達(dá)顯示上,但VGA顯示起的掃描方式是從左到右到掃描和從上到下的幀掃,屬于直角坐標(biāo)的方式,而雷達(dá)獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標(biāo)方式,所以要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的 VGA顯示首先要將雷達(dá)的極坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)信息存入存儲(chǔ)器,再以直角掃描的方式從存儲(chǔ)器中讀出并顯示出來(lái).

VGA顯示器可以將來(lái)自其他傳感器得信息 ,例如其他雷達(dá) :空中交通管制雷達(dá)應(yīng)答系統(tǒng) (ATCRBS) 、軍用敵我識(shí)別 (IFF) 、低亮度 TV、前視紅外 (FLIR),避免碰撞系統(tǒng)或來(lái)自民用或軍用數(shù)據(jù)鏈的信息 ,都能組合到顯示器上 .除已處理雷達(dá)視頻和原始視頻外 ,雷達(dá)觀測(cè)的區(qū)域地圖及文字?jǐn)?shù)字信息和圖形也能添加到 VGA顯示器上.。

5、VGA顯示器在雷達(dá)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)與平面位置顯示器相比,VGA顯示器的在雷達(dá)圖像顯示上有了更大優(yōu)勢(shì):

1)克服了平面位置顯示器整個(gè)平面上亮度不均的缺點(diǎn).實(shí)現(xiàn)了高亮度顯示

2)避免顯示器的圖像的閃爍現(xiàn)象,

3)便于彩色顯示

4)便于采用計(jì)算機(jī)顯示終端技術(shù)

5)降低了成本,提高了可靠性

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：在本設(shè)計(jì)中采用了 1280*1024的高分辨率顯示 ,克服了早期低分辨率 VGA顯示器雷達(dá)圖像分裂和定位精度低的缺點(diǎn) .。

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