基于FPGA及DSP Builder的VGA接口時序和系統(tǒng)設計

本文基于DSP Builder的VGA接口設計方法，對VGA接口時序和系統(tǒng)設計需求進行了介紹，并在硬件平臺下實現一維與二維信號的顯示。  

VGA接口標準  

VGA顯像原理  

顯示器通過光柵掃描的方式，電子束在顯示屏幕上有規(guī)律地從左到右、從上到下掃描。在掃描過程中，受行同步信號控制，逐點往右掃，完成一行掃描的時間倒數為行頻;同時又在行同步脈沖期內回到屏幕的左端，從上往下形成一幀，在垂直方向上受場同步信號控制，完成一幀的時間倒數為場頻。圖像的顯示過程即為在電子束掃描過程中，將地址與圖像的像素依次對應，每一個被尋址的像素只獲得其自身的控制信息，而與周圍的像素不發(fā)生干擾，從而可以顯示穩(wěn)定的圖像。  

VGA接口是顯示卡上輸出模擬信號的接口，也叫D-Sub接口。這種接口上面共有15個針孔，分成3排，每排5個，通過模擬VGA接口顯示圖像的工作原理，將計算機內部以數字方式生成的顯示圖像信息，通過顯卡中的ADC轉變?yōu)镽、G、B三基色信號和行、場同步信號，通過電纜傳輸到顯示設備中。  

VGA時序  

VGA的時序包括水平時序和垂直時序，且兩者都包含的時序參數有：水平(垂直)同步脈沖、水平(垂直)同步脈沖結束到有效顯示數據區(qū)開始之間的寬度(后沿)、有效顯示區(qū)寬度、有效數據顯示區(qū)結束到水平(垂直)同步脈沖寬度開始之間的寬度(前沿)。水平有效顯示區(qū)寬度與垂直有效顯示區(qū)寬度邏輯與的區(qū)域為可視區(qū)域，其他區(qū)域為消隱區(qū)。  

一行或一場的時序信息如圖1所示。  

  
圖1 行/場時序圖  

根據目前的顯示器性能參數，以LG 505E為例，其最大分辨率已可達到1024×768@60Hz，水平掃描頻率30kHz"54kHz ，垂直掃描頻率50Hz"120Hz，帶寬75MHz。  

基于DSP Builder的VGA接口設計方法  

本設計需要完成的功能包括產生VGA時序以及基于VGA接口的信號顯示。設計符合VGA接口標準的接口系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下可顯示一維矢量信號與二維圖像信號，并體現系統(tǒng)的可集成性，將該接口集成到SOPC系統(tǒng)中。  

系統(tǒng)時鐘確定  

根據系統(tǒng)時鐘計算公式：  
時鐘頻率=(行像素數+行消隱點數)×(一場行數+消隱行數)×刷新率。  
對于標準的VGA接口時序640×480@60Hz而言，時鐘頻率為800×525×60=25.175MHz。  
在本設計中我們采用1024×768@60Hz的XGA顯示方式，因此系統(tǒng)的時鐘頻率PixelClk=1344×806×60=64.99MHz。  

狀態(tài)機設計  

由VGA時序可設計有限狀態(tài)機來完成時序信號，以本設計1024×768@60Hz為例，對于行同步信號設計四個狀態(tài)，即行同步脈沖信號區(qū)(horsync)、后沿區(qū)(backporch)、數據區(qū)(video)以及前沿區(qū)(frontporch)。用計數器hcnt的值來區(qū)分各階段信號，最大記數值為1344。場同步信號也設計成如上四個狀態(tài)，當完成一行的掃描后場計數器vcnt開始計數，因此一場可以有多行。  

VGA DAC芯片及相應信號的生成  

一般的VGA DAC芯片需要輸入相應的驅動信號才能工作，包括時鐘信號、同步信號、有效顯示區(qū)信號等。系統(tǒng)所用DAC芯片為FMS3818，其信號包括時鐘與數據信號(RGB)輸入、控制信號輸入(sync與blankn)以及RGB信號DA輸出。行同步與場同步信號與經VGA DAC產生的RGB數據信號一并輸出到VGA接口，驅動CRT顯示。在本設計中時鐘信號65MHz、同步信號為horsync與versync相與產生，有效顯示區(qū)信號為行與場的有效數據區(qū)信號相與產生。  

一維矢量信號顯示方式  

在二維的空間中顯示一維矢量信號，常規(guī)顯示方法可以是將一維信號從左至右顯示，如圖2(a)所示，就如在普通的示波器上觀察到的一樣。這樣，在VGA顯示時，一行掃過多個采樣點，需把要顯示的采樣點位置計算出來，當行信號掃過時，把采樣點的值賦給像素點，就完成了信號的顯示。而對于連續(xù)的一維信號，因為行頻比場頻高，圖2(b)的顯示方法更加合理。為此，將一維信號的時間軸映射到垂直方向上，幅值映射到水平方向上，當行掃描信號掃過一行時，映射一維信號的一個采樣點，即一行信號對應一個像素，當完成一行信號后接著回掃，開始掃下一行。一般情況下，場頻確定后，就可以根據一維信號的頻率確定出一場可以顯示的周期數，當完成一場信號后，在屏幕上就顯示一幀圖像。  
在具體實現時，需要對一維正弦波信號的參數作兩點控制：控制正弦波的頻率，保證一行掃描對應一個采樣點;控制正弦波的幅度，將其控制在1024×768的有效顯示區(qū)域中。  

對正弦波頻率來說，如果頻率太高，一行會掃到多個采樣點;如果頻率太低，一整屏無法顯示一個完整周期的信號。在本設計中，用一個較低的采樣時鐘控制正弦波的采樣，正弦波存放在一個查找表中。如果要在一屏中顯示n個周期的正弦信號，那么需要的采樣頻率fs=刷新率×n×查找表中一個周期的點數。  

控制正弦波幅度即讓正弦波的最大值不能超出屏幕的顯示區(qū)。VGA有效顯示寬度為1024，則屏幕兩端的空閑部分寬度(圖2(a)和(c))都為100。  


  
（a） （b）  
圖2 一維正弦波VGA顯示示意圖  

二維圖像信號的顯示方式  

二維圖像的顯示過程較一維信號容易實現。對二維圖像，可以將二維圖像信號轉變成一維像素序列。在屏幕顯示區(qū)域內，當行與場同步信號掃過時，將該像素點對應的RGB值進行賦值，就可以完成二維圖像的顯示。對于本設計，VGA時序為1024×768模式，圖像的像素數在這個范圍內可以完全在屏幕上顯示，不會發(fā)生像素丟失。如果圖像比較小，還可以將圖像控制在屏幕的任意區(qū)域內。由于圖像大小受存儲空間限制，如果想要實現更高像素點的圖像，就必須借用外部的SRAM或SDRAM來做圖像緩存。  [!--empirenews.page--]
Avalon MM接口控制  

在DSP Builder中，Altera提供了本設計與SOPC的接口——Avalon MM接口。  

Avalon MM接口定義的接口信號主要有片選、讀使能、寫使能、地址，以及數據等。根據外設的邏輯，選用不同的接口定義信號，通過這些信號Avalon主端(CPU)可以向掛在Avalon總線上的從端外設寫地址與數據信號，Avalon主端外設也可以主動去獲取Avalon總線上的SRAM或SDRAM中的數據。不管是主傳輸還是從傳輸，都需要符合Avalon總線的讀寫時序才能發(fā)起一次正確的數據傳輸?？梢岳肁valon MM接口將DSP Builder中設計的模塊做成自定義外設。NiosⅡ CPU就可以利用Avalon總線與DSP Builder中產生的自定義外設進行通信，在本設計中對集成到SOPC系統(tǒng)上的VGA接口的地址賦值為0x1后，數據寫入0x1，VGA接口控制器接收到數據，就會根據設計產生VGA時序信息及RGB信號，在屏幕上顯示圖像。圖3為整個一維信號VGA顯示系統(tǒng)的結構圖。  

  
圖3 系統(tǒng)結構圖  

仿真與硬件驗證  

本設計在2C70 DSP硬件開發(fā)平臺下驗證。  

借助于DSP Builder中的Signal Complier模塊，可以容易地將設計完成的系統(tǒng)直接轉化成RTL級的硬件描述語言，在QuartusⅡ下完成VGA時序的驗證與正弦波信號的下載與顯示。  

從顯示器上硬件仿真結果來看，正弦波的幅度在有效的顯示區(qū)域內呈周期性變化，因此當顯示器與VGA口的J21相連時，屏幕上正弦波幅度在設計的范圍內顯示，一幅屏幕所顯示的周期數和DSP Builder中所設定的一致。在此基礎上還可以調整正弦波的采樣頻率，控制正弦波的顯示頻率與幅度大小，實現示波器的功能，觀察FPGA內部的信號。  

結語  

隨著VGA接口的廣泛使用，這種結合FPGA與DSP Builder的系統(tǒng)級設計方法已經展現優(yōu)勢。從整個設計流程來看，系統(tǒng)的靈活性強，可靠性高，設計周期大大縮減，成本降低，且系統(tǒng)的可擴展性強。未來，VGA接口的圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用將會很有市場。