基于FPGA的VGA時(shí)序彩條信號(hào)實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件產(chǎn)生VGA時(shí)序信號(hào)和彩條圖像信號(hào)，并將其作為信號(hào)源，應(yīng)用于電視機(jī)或計(jì)算機(jī)等彩色顯示器的電路開發(fā)，方便彩色顯示器驅(qū)動(dòng)控制電路的調(diào)試。計(jì)算機(jī)顯示器的顯示有許多標(biāo)準(zhǔn)，常見(jiàn)的有VGA，SVGA等。在這里嘗試用FPGA實(shí)現(xiàn) VGA圖像顯示控制器，這一過(guò)程通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，之后通過(guò)軟件的測(cè)試和仿真，當(dāng)軟件驗(yàn)證無(wú)誤后完成硬件的下載驗(yàn)證，最終在CRT顯示器上實(shí)現(xiàn)輸出，基本原理就是利用FPGA的可編程原理和VGA的時(shí)序控制原理，這在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中有許多實(shí)際應(yīng)用。

1 VGA顯示原理
    VGA(Video Graphics Array)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到了廣泛的應(yīng)用。VGA在任何時(shí)刻都必須工作在某一顯示模式下，其顯示模式分為字符顯示模式和圖形顯示模式，而在應(yīng)用中討論的都是圖形顯示模式。
    VGA的圖形模式分為三類：CGA，EGA兼容的圖形模式；標(biāo)準(zhǔn)VGA圖形模式；VGA擴(kuò)展圖形模式，后兩種圖形模式統(tǒng)稱為VGA圖形模式。文中基于標(biāo)準(zhǔn)VGA模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示模式為：640×480×16×60。
    常見(jiàn)的彩色顯示器一般由陰極射線管(CRT)構(gòu)成，彩色由GRB(Green Red Blue)基色組成。顯示采用逐行掃描的方式解決，陰極射線槍發(fā)出電子束打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生GRB基色，合成一個(gè)彩色像素。掃描從屏幕的左上方開始，從左到右，從上到下，逐行掃描，每掃完一行，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；掃描完所有行，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)行場(chǎng)消隱，并預(yù)備進(jìn)行下一次的掃描。VGA顯示控制器控制 CRT顯示圖象的過(guò)程如圖1所示。

2 VGA信號(hào)時(shí)序
    圖2所示是計(jì)算機(jī)VGA(640×480，60 Hz)圖像格式的信號(hào)時(shí)序圖。圖2中，V_sync為場(chǎng)同步信號(hào)，場(chǎng)周期TVSYNC=16．683 ms，每場(chǎng)有525行，其中480行為有效顯示行，45行為場(chǎng)消隱期。場(chǎng)同步信號(hào)Vs中每場(chǎng)有1個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度tWV=63μs(2行)。場(chǎng)消隱期包括場(chǎng)同步時(shí)間tWH、場(chǎng)消隱前肩tHV(13行)、場(chǎng)消隱后肩tVH(30行)，共45行。行周期THSYNC=31．78μs，每顯示行包括 800點(diǎn)。其中，640點(diǎn)為有效顯示區(qū)，160點(diǎn)為行消隱期(非顯示區(qū))。行同步信號(hào)Hs中每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度tWV=3．81 μs(即96個(gè)DCK)；行消隱期包括行同步時(shí)間tWH，行消隱前肩tHC(19個(gè)DCLK)和行消隱后肩tCH(45個(gè)DCLK)，共160個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘。復(fù)合消隱信號(hào)是行消隱信號(hào)和場(chǎng)消隱信號(hào)的邏輯與，在有效顯示期復(fù)合消隱信號(hào)為高電平，在非顯示區(qū)域它是低電平。

3 VGA時(shí)序信號(hào)及彩條信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)
3．1 VGA時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生模塊
    VGA時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生模塊包括行點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器h_cnt、場(chǎng)行數(shù)計(jì)數(shù)器v_cnt、行同步產(chǎn)生狀態(tài)機(jī)h_state和場(chǎng)同步產(chǎn)生狀態(tài)機(jī)v_state等。其中，行點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器是800進(jìn)制計(jì)數(shù)器，場(chǎng)行數(shù)計(jì)數(shù)器是525進(jìn)制計(jì)數(shù)器。行同步狀態(tài)機(jī)h_state有h_video，h_front，h_sync， h_back四種狀態(tài)，它根據(jù)行點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來(lái)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；場(chǎng)同步狀態(tài)機(jī)v_state有v_video，v_Front，v_sync， v_Back四種狀態(tài)，它根據(jù)場(chǎng)行數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來(lái)進(jìn)行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。這兩個(gè)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分別如圖3和圖4所示。

    當(dāng)行狀態(tài)機(jī)h_state復(fù)位時(shí)，即進(jìn)入h_video狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)每行的有效顯示區(qū)域。行計(jì)數(shù)器h_cnt對(duì)25 MHz的點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)行計(jì)數(shù)器h_cnt的計(jì)數(shù)值到達(dá)639時(shí)，行同步狀態(tài)機(jī)即進(jìn)入行消隱前肩h_front狀態(tài)；當(dāng)h_cnt的計(jì)數(shù)值為663 時(shí)，行同步狀態(tài)機(jī)進(jìn)入行同步狀態(tài)h_sync，此時(shí)，行同步信號(hào)Hs輸出低電平。當(dāng)h_cnt的計(jì)數(shù)值為759時(shí)，狀態(tài)機(jī)即進(jìn)入行消隱后肩h_back狀態(tài)；當(dāng)行狀態(tài)機(jī)為h_front，h_sync，h_back狀態(tài)時(shí)，行消隱信號(hào)輸出低電平。當(dāng)h_cnt的計(jì)數(shù)值為799時(shí)，行同步狀態(tài)機(jī)進(jìn)人 h_video狀態(tài)，同時(shí)，行計(jì)數(shù)器的同步復(fù)位信號(hào)為高電平，使行計(jì)數(shù)器復(fù)位。
    場(chǎng)狀態(tài)機(jī)v_state開始時(shí)進(jìn)入v_video狀態(tài)，對(duì)應(yīng)每場(chǎng)的有效顯示行，場(chǎng)計(jì)數(shù)器v_cnt的計(jì)數(shù)值每行加1。當(dāng)場(chǎng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值到達(dá)479時(shí)，場(chǎng)狀態(tài)機(jī)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入場(chǎng)消隱前肩v_ront狀態(tài)；當(dāng)v_cnt的值為497時(shí)，狀態(tài)機(jī)v_state進(jìn)入場(chǎng)同步狀態(tài)v_sync，場(chǎng)同步信號(hào)Vs此時(shí)輸出低電平；當(dāng)v_cnt的值為499時(shí)，狀態(tài)機(jī)v_state進(jìn)入場(chǎng)消隱后肩v_back狀態(tài)；當(dāng)v_cnt的值為524時(shí)，狀態(tài)機(jī)v_state又翻轉(zhuǎn)進(jìn)入 v_video狀態(tài)，同時(shí)輸出高電平到場(chǎng)計(jì)數(shù)器v_cnt的同步清零端使其清零。當(dāng)場(chǎng)狀態(tài)機(jī)v_state的狀態(tài)為v_Front，v_sync， v_Back三種狀態(tài)時(shí)，場(chǎng)消隱信號(hào)輸出低電平，其余時(shí)刻為高電平。行、場(chǎng)消隱信號(hào)的邏輯與即為復(fù)合消隱信號(hào)。
3．2 VGA彩條信號(hào)產(chǎn)生模塊
    彩條信號(hào)產(chǎn)生模塊包括了彩條模式控制、豎彩條發(fā)生和橫彩條發(fā)生等三個(gè)模塊。豎彩條發(fā)生模塊根據(jù)行點(diǎn)數(shù)器h_cnt的計(jì)數(shù)值來(lái)產(chǎn)生彩條，其流程圖如圖5所示。它對(duì)行點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行判斷，每80條豎線生成一種豎彩條，共8種豎彩條橫彩條發(fā)生模塊與豎彩條發(fā)生模塊相似。它根據(jù)場(chǎng)行數(shù)計(jì)數(shù)器v_cnt的計(jì)數(shù)值來(lái)產(chǎn)生橫彩條，流程圖如圖6所示。每60條掃描線為一個(gè)彩條寬度，共8種橫彩條模式。計(jì)數(shù)器mode的值又決定著輸出彩條信號(hào)的類型，當(dāng)mode為0 時(shí)，輸出的彩條為豎彩條；當(dāng)mode為1時(shí)，輸出的彩條橫彩條。

3．3 用FPGA下載驗(yàn)證結(jié)果
    對(duì)上述分析的兩個(gè)模塊，已經(jīng)用QuartusⅡ軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并得到正確的仿真圖形。通過(guò)了軟件的測(cè)試，設(shè)計(jì)進(jìn)入了最終階段——硬件的調(diào)試與通過(guò)，本設(shè)計(jì)采取的是FPGA開發(fā)板，圖7就是FPGA開發(fā)板的實(shí)物圖，將程序?qū)懭隤C機(jī)經(jīng)過(guò)FPGA芯片在VGA接口處輸出數(shù)據(jù)，并顯示在CRT顯示器中。圖 8，圖9就是設(shè)計(jì)出的8種彩色條紋輸出顯示控制器設(shè)計(jì)的最終輸出結(jié)果。

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)可以正確地輸出8種彩色的橫條紋和豎條紋。從而驗(yàn)證VGA模塊的時(shí)序及彩條信號(hào)模塊的正確性。

4 結(jié) 語(yǔ)
    在調(diào)試電路時(shí)，使用FPGA中多余的邏輯產(chǎn)生VGA信號(hào)和彩條信號(hào)，所產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定可靠，為電路調(diào)試帶來(lái)了很多方便。
    在實(shí)際應(yīng)用中，還可以方便地修改彩條信號(hào)產(chǎn)生模塊。比如，可以修改行、場(chǎng)計(jì)數(shù)器的判斷值，以調(diào)整彩條的大小，增加延時(shí)跳變的功能，使輸出的彩條信號(hào)產(chǎn)生各種變化。此外，與VGA信號(hào)類似，改變行、場(chǎng)狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換值和行、場(chǎng)計(jì)數(shù)器的設(shè)置，還可以產(chǎn)生其他各種模式的圖像信號(hào)，以適應(yīng)不同分辨率圖像顯示的需要。如果在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加上采集模塊，就可以顯示希望顯示的圖片。