一種嵌入式VGA顯示系統(tǒng)實現(xiàn)

VGA（Video Graphics Array）即視頻圖形陣列，是IBM在1987年隨PS/2機（PS/2 原是“Personal System 2”的意思，“個人系統(tǒng)2”，是IBM公司在1987年推出的一種個人電腦。PS/2電腦上使用的鍵盤鼠標接口就是現(xiàn)在的PS/2接口。因為標準不開放，PS/2電腦在市場中失敗了。只有PS/2接口一直沿用到今天。）一起推出的使用模擬信號的一種視頻傳輸標準，在當時具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。這個標準對于現(xiàn)今的個人電腦市場已經(jīng)十分過時。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一個標準，個人電腦在加載自己的獨特驅動程序之前，都必須支持VGA的標準。例如，微軟Windows系列產品的開機畫面仍然使用VGA顯示模式，這也說明其在顯示標準中的重要性和兼容性。

目前VGA技術的應用還主要基于 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算機的設備上，VGA技術的應用卻很少。

基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)，可以在不使用 VGA顯示卡的情況下實現(xiàn) VGA圖像的顯示和控制。該系統(tǒng)具有成本低、結構簡單、應用靈活的優(yōu)點。

1 基于 FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)簡介

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程序三個部分組成。其控制電路主要完成時序發(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)的設計中，可以使用很少的資源，就產生 VGA各種控制信號，達到顯示彩色高分辨率圖像的要求，而不需用 VGA顯示卡和計算機設備。圖 1是基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)的結構框圖，圖中FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。EP2C35F672C該芯片提供了 33216個邏輯單元 ,包括了嵌入式 18*18位乘法器、專用外部存儲器接口電路、4KB嵌入式存儲器件、4個鎖相環(huán)和高速差分 I/O等功能。

VGA接口芯片采用了 ADV7125，該芯片是美國 ADI公司生產的高速視頻數(shù)模轉換芯片，其像素掃描時鐘頻率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz四個等級。ADV7125在單芯片上整合了三組 8位高速 D／A轉換器，可以分別處理紅、綠、藍視頻數(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轉換的應用系統(tǒng)。 ADV7125的輸入及控制信號非常簡單：3組 8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對應 RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標準 TTL電平接口；4條視頻控制信號線包括復合同步信號 SYNC、消隱信號 BLANK、白電平參考信號 REF WHITE和像素時鐘信號 CLOCK；外接一個 1.23 V數(shù)模轉換參考電壓源和 1個輸出滿度調節(jié)。

2模塊劃分與模塊功能定義

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結構，F(xiàn)PGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了即可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及個模塊之間或模塊與I/O間的連接方式，并最終決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能， FPGA允許無限次的編程。

FPGA中包含了四個工作模塊： VGA時序發(fā)生器模塊、VGA圖像顯示調色板模塊、數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)讀寫控制器。由于ADV7125內部沒有顏色的轉換器 ,所以當數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)為YUV信號時，就要把YUV信號轉換成RGB信號，這一功能就是由VGA圖像顯示調色板模塊完成的，當顯示數(shù)據(jù)為 RGB信號時，數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)紸DV7125，不需調色板進行顏色轉換。用FPGA對圖像進行存儲和整理，并產生驅動電路需要的各種控制波形由視頻控制器對顏色緩沖器進行掃描，其中視頻控制器可以讀取像素顏色，用這些顏色來控制輸出設備的亮度。

VGA時序發(fā)生器模塊產生顯示器所需的時序，這是完成設計的關鍵，時序稍有偏差，顯示必然不正常，甚至會損壞彩色顯示器。

3、 VGA時序分析

顯示器是屬于電腦的I/O設備，即輸入輸出設備。它可以分為CRT、LCD等多種。它是一種將一定的電子文件通過特定的傳輸設備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具。

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 HSYNC控制）、從上到下（受垂直同步信號 VSYNC控制）做有規(guī)律的移動。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描的顯示器掃描閃爍的比較厲害，會讓使用者的眼睛疲勞。目前微機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開始，從左向右逐點進行掃描，每掃描完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，CRT是一種使用陰極射線管（Cathode Ray Tube）的顯示器，主要有五部分組成：電子槍（Electron Gun），偏轉線圈（Deflection coils），蔭罩（Shadow mask），熒光粉層（Phosphor）及玻璃外殼。它曾是應用最廣泛的顯示器之一，CRT純平顯示器具有可視角度大、無壞點、色彩還原度高、色度均勻、可調節(jié)的多分辨率模式、響應時間極短等LCD顯示器難以超越的優(yōu)點，而且現(xiàn)在的CRT顯示器價格要比LCD顯示器便宜不少。

完成一行掃描所需時間稱為水平掃描時間，其倒數(shù)稱為行頻率；完成一幀（整屏）掃描所需的時間稱為垂直掃描時間，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。

VGA顯示器要正確顯示圖像關鍵還是如何實現(xiàn) VGA時序。視頻電子標準協(xié)會（ VESA, Video Electronics Standards Association）對顯示器時序進行了規(guī)范。 VGA的標準參考顯示時序如圖 2、圖 3所示。行時序和場時序都需要產生同步脈沖（Sync a）、顯示后沿 （Back porch b）、顯示時序段（Display interval c）和顯示前沿 （Front porch d）四個部分。

VGA的行時序如圖 2所示：每一行都有一個負極性行同步脈沖（ Sync a），是數(shù)據(jù)行的結束標志，同時也是下一行的開始標志。在同步脈沖之后為顯示后沿 （Back porch b），在顯示時序段（Display interval c）顯示器為亮的過程，RGB數(shù)據(jù)驅動一行上的每一個象素點，從而顯示一行。在一行的最后為顯示后沿（Back porch b）。在顯示時序段（ Display interval c）之外沒有圖像投射到屏幕時插入消隱信號。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（ Horizontal Blanking Interval），當行消隱有效時， RGB 信號無效，屏幕不顯示數(shù)據(jù)。

VGA的場時序與 VGA的行時序基本一樣，如圖 3所示，每一幀的負極性幀同步脈沖（Sync a）是一幀的結束標志，同時也是下一幀的開始標志。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，然后由象素時鐘頻率和圖像分辨率計算出行總周期數(shù)，再把表 1和表 2中給出的 a、 b、c、d各時序段的時間按照象素計數(shù)脈沖源頻率折算成時鐘周期數(shù)。在 FPGA/CPLD中用計數(shù)器和觸發(fā)器，以計算出的各時序段時鐘周期數(shù)為基準，產生不同寬度和周期的脈沖信號，再利用它們的邏輯組合構成圖 2和圖 3中的 a、b、c、d各時序段以及 ADV7125的空白信號 BLANK和同步信號 SYNC。

一個示例就是 60Hz時 1280×1024分辨率顯示的 VESA標準，在 60Hz時，屏幕每16.67毫秒更新一次。這個標準制定了幀大小，用它來定義分辨率和回掃次數(shù)之間的關系。對于分辨率大小為 1280×1024來說，幀的大小為 1688×1066，這個大小與像素時鐘（Pixel Clock）有關，所謂像素時鐘就是對像素的刷新頻率。像素時鐘為 1688×1066×60Hz 或者 108 兆 Hz（MHz）時，每個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度（Sync Length），可以從縱向幀大小減去縱向分辨率，也就是 1066－1024＝42。

在顯示時序段（ Display interval c），數(shù)據(jù)讀寫控制器從數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀取像素顏色，用這些顏色來控制輸出設備（顯示器）的亮度。

表 1：VGA行時序說明

4、 VGA顯示器在雷達圖像顯示中的應用

最初，雷達顯示器到重要作用，在于使雷達接收機到數(shù)據(jù)以一種可視的形式表現(xiàn)出來。操作員可以輕易而精確地檢測目標的出現(xiàn)，提取目標的位置信息。隨著數(shù)字信號處理和數(shù)字數(shù)據(jù)處理的進步，越來越多的檢測和信息提取過用電子方法自動完成，因此操作員的任務越來越少。

雷達獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標方式，所以早期船用雷達顯示器是一種平面位置顯示器，用極坐標表示，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。掃描線選轉的速度取決于天線的轉速。物標回波的亮度取決于回波視頻的信號的幅度。物標回波及各種符號視頻在屏上只能是天線每轉一圈才能亮一下，在整個平面上亮度不均，且量程小，回波亮度越低，容易丟失小目標。

隨著VGA顯示器廣泛應用，VGA顯示器也開始應用在雷達顯示上，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，屬于直角坐標的方式，而雷達獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標方式，所以要實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)的 VGA顯示首先要將雷達的極坐標信息轉換成直角坐標信息存入存儲器，再以直角掃描的方式從存儲器中讀出并顯示出來。
VGA顯示器可以將來自其他傳感器得信息 ,例如其他雷達 :空中交通管制雷達應答系統(tǒng) （ATCRBS） 、軍用敵我識別 （IFF） 、低亮度 TV、前視紅外 （FLIR），避免碰撞系統(tǒng)或來自民用或軍用數(shù)據(jù)鏈的信息 ,都能組合到顯示器上 .除已處理雷達視頻和原始視頻外 ,雷達觀測的區(qū)域地圖及文字數(shù)字信息和圖形也能添加到 VGA顯示器上。

5、VGA顯示器在雷達應用中的優(yōu)點與平面位置顯示器相比，VGA顯示器的在雷達圖像顯示上有了更大優(yōu)勢：

1）克服了平面位置顯示器整個平面上亮度不均的缺點

2）避免顯示器的圖像的閃爍現(xiàn)象

3）便于彩色顯示

4）便于采用計算機顯示終端技術

5）降低了成本，提高了可靠性

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