基于AVR的VGA顯示和激光打印系統(tǒng)

摘要：用ATMEGA128單片機(jī)結(jié)合CPLD實(shí)現(xiàn)了對(duì)VGA顯示器和激光打印機(jī)的控制，完成了在VGA顯示器上實(shí)時(shí)顯示字符和圖形的功能，并控制激光打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了屏幕信息的打印輸出。本設(shè)計(jì)克服了單片機(jī)系統(tǒng)顯示和打印功能薄弱的缺點(diǎn)，為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他嵌入式系統(tǒng)的信息輸出提供了一種解決方案。
關(guān)鍵詞：VGA控制器；PCL命令語言；激光打??；CPLD

      從仿真波形圖種可以看到每一顯示行的時(shí)間為800個(gè)象素時(shí)鐘周期，每場包括525行。行同步脈沖的寬度為96個(gè)象素時(shí)鐘周期，場同步脈沖的寬度為2行。在行同步信號(hào)hs的行同步期間及其前肩和后肩，消隱信號(hào)blank為低電平，表示消隱期。在場同步信號(hào)vs的場同步期間及其前肩和后肩，消隱信號(hào)blank同樣為低電平，表示消隱期。仿真結(jié)果符合VGA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序，項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用也證明了此結(jié)果的正確性。

1.2 VGA顯示底層函數(shù)的編寫

    要在屏幕上顯示信息，除VGA顯示控制器之外，還需要并在ATMEGA128單片機(jī)上設(shè)計(jì)底層繪圖函數(shù)并建立字符庫。通常編寫畫線、畫圓函數(shù)時(shí)，確定一個(gè)點(diǎn)是否在直線或圓上，需要乘、除法和開方運(yùn)算，而畫線、畫圓函數(shù)調(diào)用最為頻繁，因此計(jì)算量將大到難以接受的程度，極大降低系統(tǒng)的性能。為了克服上述缺點(diǎn)，在編寫底層繪圖函數(shù)時(shí)采用了圖形學(xué)上的Bresenham

void circle(unsigned int x0,unsigned int y0,unsigned int r,unsigned char color) {     register int x,y,deltax,deltay,d; x=0;y=r;deltax=3;deltay=2-r-r;d=1-r;        while(x<=y)        {     drawpixel(x0+x,y0+y,color);               drawpixel(x0-x,y0+y,color);                              drawpixel(x0-x,y0-y,color);               drawpixel(x0+x,y0-y,color);                                    drawpixel(x0+y,y0+x,color);                             drawpixel(x0-y,y0+x,color);               drawpixel(x0-y,y0-x,color);               drawpixel(x0+y,y0-x,color);               if(d<0){                      d+=deltax;      deltax+=2;                      x++;               }               else  {                      d+=(deltax+deltay);                      deltax+=2;deltay+=2;                      x++;y--;               }        }          }

    畫線算法和中點(diǎn)畫圓法^[3]，通過象素逼近，采用增量計(jì)算，使得確定點(diǎn)是否在直線或圓上的復(fù)雜運(yùn)算變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算，非常適合微控制器的特點(diǎn)，極大得提高了繪圖速度。我們從Windows系統(tǒng)中提取了12×12和96×96象素的0～9數(shù)字字庫，16×16象素的常用ASCII字符字庫。有了底層繪圖函數(shù)和字符庫，ATMEGA128單片機(jī)便可通過VGA顯示控制器實(shí)現(xiàn)在屏幕任意位置顯示圖形或者文字信息。右面是用ICCAVR編寫的ATMEGA128在VGA顯示器上實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)畫圓法的例程及其實(shí)現(xiàn)示意圖。只需用增量法找到1/8圓上的點(diǎn)，其它點(diǎn)在中心對(duì)稱位置。

2  激光打印機(jī)的控制

    激光打印機(jī)是目前最常用輸出設(shè)備之一，和熱敏、噴墨打印機(jī)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，下面介紹用ATMEGA128微控制器直接控制激光打印機(jī)打印VGA顯示器屏幕內(nèi)容的方法。要控制打印機(jī)必須了解打印機(jī)命令語言。打印機(jī)語言指的是控制打印機(jī)工作的命令，它控制打印機(jī)如何組織被打印的文檔，打印機(jī)按照這些命令來處理打印數(shù)據(jù)，并最終準(zhǔn)確的打印出文字與圖像。

2.1   PCL打印機(jī)命令語言

    PCL打印機(jī)命令語言是世界上應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)命令語言，由惠普公司開發(fā)，支持文字、點(diǎn)陣圖像和矢量圖形的打印。PCL命令由2個(gè)以上的字符組成，總是以控制字符ESC開始，用符合E_C 表示，其ASCII碼為27，所以PCL命令又被

圖 4 中點(diǎn)畫圓法示意圖

稱作ESC序列。當(dāng)打印機(jī)接收到字符E_C時(shí)，表示開始接收一條控制命令。PCL命令包括“兩字符”命令序列和“參數(shù)化”命令序列兩種ESC序列。

    “兩字符”命令序列的格式如下：E_C X，其中符號(hào)X代表ASCII碼48～126的字符，即ASCII字符表中“0” 和“～”之間的字符。符號(hào)X指示打印機(jī)需要進(jìn)行的操作，例如命令“E_C E”是打印機(jī)復(fù)位命令，命令“E_C g”把紙張的左邊距和上邊距復(fù)位成默認(rèn)值。“參數(shù)化”命令序列格式如下：E_C X y z1 # z2 # z3 ... # Zn[data] ，其中E_C為起始字符，X是參數(shù)化字符，代表ASCII碼33～47之間字符，其作用是指明該序列是“參數(shù)化”序列；y為組字符，代表ASCII碼96～126之間字符，用來指定待執(zhí)行的操作屬于什么組；#是數(shù)值域，其范圍從-32767到65535；z i是本命令的參數(shù)，代表ASCII碼從96～126之間字符，該參數(shù)用于組合的“參數(shù)化”序列，非組合序列則不用，其作用是指定前面的數(shù)值域所用的參數(shù)；Zn是結(jié)束字符，表示“參數(shù)化”命令序列結(jié)束；[data] 是傳送到打印機(jī)的待打印數(shù)據(jù)，用8個(gè)bit表示，即為0～255之間任意數(shù)據(jù)。下面兩例分別是非組合的“參數(shù)化”命令序列和組合的“參數(shù)化”命令序：

1       2 

    1是非組合序列，不含參數(shù)。2是組合序列，由序列E_C &l1O 和 E_C&l2A組合而成，其中小寫的字符“o”是該序列的參數(shù)^[4]。各種命令序列的詳細(xì)說明見參考文獻(xiàn)^[4]。

2.2 打印屏幕

    ATMEGA128單片機(jī)的IO口和激光打印機(jī)的并口由如下信號(hào)連接： Strobe、Busy、GND、D0～D7共11根信號(hào)線。其中D0～D7是數(shù)據(jù)線，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線把控制打印機(jī)的PCL命令和待打印數(shù)據(jù)傳送到打印機(jī)；Busy信號(hào)線指示打印機(jī)狀態(tài)是否繁忙；Strobe 信號(hào)線是選通控制線，單片機(jī)在Strobe 信號(hào)線上輸出一個(gè)低電平脈沖即可把D0～D7上的數(shù)據(jù)寫人打印機(jī)。在論文的第一部分曾經(jīng)提到，VGA顯示器所顯示的內(nèi)容存儲(chǔ)在SRAM顯存中，每一個(gè)bit代表一個(gè)象素，因此打印屏幕就是把顯存中的數(shù)據(jù)打印出來。ATMEGA128單片機(jī)首先發(fā)送PCL語言的打印機(jī)設(shè)置命令，對(duì)打印進(jìn)行設(shè)置，然后即可傳送打印數(shù)據(jù)。其步驟如下：1、發(fā)打印機(jī)復(fù)位命令；2、發(fā)設(shè)置紙張大小命令；3、發(fā)設(shè)置打印的起始位置命令；4、發(fā)設(shè)置分辨率命令；5、發(fā)設(shè)置打印機(jī)為點(diǎn)陣圖形模式命令；5、傳送要打印的數(shù)據(jù);6、發(fā)結(jié)束圖形模式命令；7、發(fā)換頁指令，打印當(dāng)前頁。下面是ATMEGA128單片機(jī)對(duì)HP LASERJET6L激光打印機(jī)發(fā)送PCL命令，并控制打印機(jī)打印輸出VGA屏幕信息的例程：

void print()

{unsigned int M; unsigned char i;  

unsigned char xdata *p;p=NVRS;

out(27);out('E');//打印機(jī)復(fù)位

out(27); pprint("&l26A");// 設(shè)置紙張為A4

out(27); pprint("*p210X");// '設(shè)置本頁打印的X坐標(biāo)起始位置

out(27); pprint("*p400Y");// '設(shè)置本頁打印的Y坐標(biāo)起始位置

out(27); pprint("*t100R");// '設(shè)置分辨率

out(27); pprint("*r1A");// '設(shè)置圖形模式開始

for(M=0;M<480;M++)  //傳送要打印的圖形數(shù)據(jù)

{   out(27); pprint("*b80W");

        …………

    out(27); pprint("*rC");  // '圖形模式結(jié)束

    out(255); out(12);//'本頁結(jié)束，執(zhí)行打印

}

結(jié)論：

    本文的創(chuàng)新點(diǎn)是用ATMEGA128單片機(jī)結(jié)合CPLD實(shí)現(xiàn)了對(duì)VGA顯示器和激光打印機(jī)的控制，使單片機(jī)可以在VGA接口的顯示器上顯示圖形、文字信息，并控制激光打印機(jī)把VGA屏幕上的信息打印輸出。本設(shè)計(jì)克服了單片機(jī)控制系統(tǒng)的信息顯示和打印功能薄弱的缺點(diǎn)，使其在發(fā)揮控制功能優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，還具有了實(shí)用的顯示和打印功能，為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)。此外，本設(shè)計(jì)中用到的ATMEGA128的接口為GPIO口和Intel格式的標(biāo)準(zhǔn)總線，因此可以方便得移植到其他類型的芯片中，為其它系統(tǒng)的信息顯示和打印提供了參考方案，本設(shè)計(jì)已經(jīng)成功移植到了TMS320C6713 DSP芯片上^[5]。

參考文獻(xiàn)
[1]   Atmel. 8-bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In-System Programmable Flash2001
[2]   曹允. 基于FPGA的VGA時(shí)序彩條信號(hào)實(shí)現(xiàn)方   法及其應(yīng)用. 電子技術(shù)應(yīng)用.Vol.28 No.7 2002
[3]   孫家廣等. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué). 清華大學(xué)出版社,   2002
[4]   惠普公司. PCL5 Printer Language Technical Reference Manual First Edition. 1992
[5]   何明星等. Max7000系列可編程器件在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用 微計(jì)算機(jī)信息2003年19卷6期25-26頁