基于FPGA的VGA图形控制器设计 处理器, 控制器, 通用, 技术, 接口

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随着电子技术的进步和数字图像处理应用领域的不断扩大，FPGA对VGA信号的采集起到了不可忽视的作用[1]。基于FPGA设计的VGA图形控制器有不少便利之处：首先，FPGA以其设计灵活、结构简单、集成度高等优点，近年来被广泛运用到各种功能的电路设计当中。以硬件描述语言（Verilog或VHDL）完成的电路设计可以经过简单的综合与布局快速烧至到FPGA上进行测试，成为现代IC设计验证的主流技术。其次，VGA作为一种通用的显示接口，已经广泛应用于工作和生活当中。传统的VGA显示控制主要以专门的芯片电路和通用处理器来实现，体积大且不灵活，但基于FPGA的VGA显示控制显著提高了产品的灵活性。最后，基于FPGA设计的产品开发过程简单，投资小，系统成本较低，使得本VGA图形控制器在同类商品中将更具有价格上的竞争优势。本文着重介绍一种利用Nexys2 FPGA开发板实现VGA显示控制的方法，能够实现不同图案的显示，该方法也可以方便地应用于各种嵌入式便携系统中。
1 Nexys2概述
现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）在嵌入式系统中被广泛运用。其配置和编程是通过软件进行的，通用性和灵活性极强。在产品升级时，不需要额外改变原有的硬件电路，只需修改程序，大大宿短了系统设计周期。Nexys2作为一款比较经典的FPGA开发板，能够完全兼容嵌入式处理器。特别在VGA系统设计中，因其板上集成了16 MB高速SDRAM和16 MB Flash ROM，不需接外部ROM便可存储图像数据或字符数据，使其得到更加广泛的运用。
2 VGA概述及工作原理
2.1 VGA技术
计算机显示器的显示有许多标准，常见的有VGA（视频图形阵列）、SVGA（高级视频图形阵列）等。在图像处理系统中，若是采用传统办法将图像数据传回电脑并通过显示器显示出来，则整个传输过程中都需要嵌入式系统的CPU不断对传输的图像数据信号进行控制，不仅浪费CPU资源并且依赖计算机，显著降低了系统运行的灵活性。但如果基于FPGA对VGA接口进行设计，数据流就只在系统的内部流动而不依赖电脑，实现了系统的最小化，并且增强了系统的可靠性和设计的灵活性[1]。FPGA开发板上集成了很多功能模块，使得基于FPGA的设计还可以根据用户的特定需要设计出针对性强的VGA图形控制器，不仅满足了多样化的用户需要，而且降低了开发成本，使产品的升级换代更加快捷、方便。
2.2 VGA显示原理
VGA显示系统如图1所示，主要由VGA控制器、存储器（若显示更大的图像，可采用外部ROM取代FPGA内部的ROM）和显示器3部分组成。VGA控制器调用存储器里储存的数据并对此数据进行相应的处理，转换成相应的时序信号传送给显示器，显示器按照接收到的信号进行显示[2]。


对应640×480×60 Hz的模式，工业标准所要求的时钟频率为25.175 MHz，行周期Tg为800个时钟，场周期Tg为525个行周期。由于无法得到25.175 MHz的时钟频率，因此在设计中采用将全局时钟50 MHz二分频得到的25 MHz的频率来驱动行计数器。
当VS=0、HS=0时，CRT显示的内容为亮的过程。当一行扫描完毕，行同步HS=1。期间，CRT扫描产生消隐，电子束回到CRT左边下一行的起始位置（X=0，Y=1）；当扫描完480行后，CRT的场同步VS=1，产生场同步使扫描线回到CRT的第一行第一列（X=0，Y=0）处（约为两个行周期）。此程也称光栅扫描[3]，如图3所示。

3 系统设计方案
整个系统以Nexys2 FPGA开发板为核心，通过对其编程可输出红、绿、蓝三基色信号和HS、VS行、场扫描同步时序信号。当FPGA接收到输出控制信号后，内部的数据选择器模块根据控制信号选择相应的图形生成模块，输出图形信号与行、场扫描时序信号一起通过VGA接口电路传送至显示器，在VGA显示器上便可看到相应的彩色图像[4]。系统采用Nexys2开发板上提供的50 MHz时钟作为全局参考时钟，由一片晶振提供时钟源。通过硬件描述语言VHDL对时钟进行分频，产生各模块所需时钟频率。通过硬件描述语言VHDL对Nexys2开发板上的按键进行规定，使得开发板工作时可以通过按键切换VGA显示的图形。系统模块如图4所示。

4 系统实现
本设计采用了8 bit数字信号线，可产生256种不同的颜色。本彩色条纹模式显示控制器可通过按键实现横彩条、竖彩条、棋盘格等图案的显示。横彩条可根据场计数器产生，在480个有效数据区内，每60个产生一个彩条，即对其进行8等分；竖彩条则根据行计数器产生，在640个有效数据区内，每80个产生一个彩条，也是8等分；棋盘格可由横彩条数据和竖彩条数据“异或”或“同或”而得到。同时，可通过按键来控制VGA不同图案的输出。
4.1 坐标定位
设定要全屏显示图形，如图2所示，行、场时序的Td部分是屏幕所显示部分，即屏幕从坐标第45行、第152个像素（左上角）开始显示。若显示横彩条，则从第45行开始，每过60行给输出rgbout赋一个颜色值，直到第525行；竖彩条即从第152个像素开始，每过80个像素给输出rgbout赋予一个颜色值，直到第792个像素。
4.2 VGA控制程序设计
4.2.1 VGA控制器程序信号定义
entity vga is
Port（clk：in std_logic；//全局时钟
keya：in STD_LOGIC；//控制按键
syncV：inout std_logic；//场同步信号
syncH：inout std_logic；//行同步型号
rgbout：out std_logic_vector（7 downto 0））；
//8 bit输出颜色信号
end vga；
4.2.2 产生彩条图形的部分VHDL描述
process（clkdiv）//clkdiv为分频后的时钟信号
begin
if（clkdiv=′1′ and clkdiv′Event）then
if（HS>=152）and（HS<232）and（VS>=45）and（VS<525）then//横彩条
rgbx<="01010101"；
elsif（HS>=232）and（HS<312）and（VS>=45）and（VS<525）then
rgbx<="01110101"；
……
elsif（HS>=712）and（HS<792）and（VS>=45）and（VS<525）then
rgbx<="00010111"；
else
rgbx<="00000000"；
end if；
end if；
end process；
4.2.3 控制按键的VHDL描述
process（keya）
begin
if（keya=′1′and keya′Event）then
mmd<=mmd+1；//定义的2位逻辑信号
end if；
end process；
process（mmd）
begin
case mmd is
when"00"=>rgbout<=rgbx；
//当无按键操作时，VGA显示屏显示横彩条
when"01"=>rgbout<=rgby；
//第一次按键时，VGA显示屏显示竖彩条
when"10"=>rgbout<=rgbx xor rgby；
//第二次按键时，VGA显示第一种棋盘图形
when"11"=>rgbout<=rgbx xnor rgby；
//第二次按键时，VGA显示第二种棋盘图形
when others=>null；
end case；
end process；
4.3 系统测试结果与结论
在Xilinx ISE 13.3中创建项目后，输入系统的VHDL程序代码进行管脚约束，然后进行逻辑综合、布局布线、时序分析后生成.bit编程文件，再将编程文件下载到Nexys2 FPGA中，并通过VGA接口与显示器相连。系统中的keya可约束为Nexys2开发板中任一按键，作为显示图形的切换按键。通过按keya键，系统的显示效果如图5所示。

本文设计的VGA图形显示控制器是基于FPGA实现的，采用VHDL语言在Xilinx 13.3软件环境下完成软件设计，并对整个系统进行了调试，最终在硬件平台Nexys2上实现了图形的显示。与传统的VGA控制器相比，本设计具有以下有点：（1）采用硬件描述语言VHDL进行开发，软件程序简单且执行效率高，使得系统设计变得更加快捷方便；（2）脱离了PC控制，减少了控制器的体积，从而扩展了其应用范围，对于各种嵌入式便携系统具有更重要的现实意义及工程实用价值。
本设计只做了彩条及棋盘格图形的显示，如果要做字符显示或真彩图像显示，则需将像素点数据保存到FPGA内部的EAB RAM、外部ROM或RAM中。在接下来的设计中，将会在此方向上进行相应的改进和完善。
参考文献
[1] 吕康.基于FPGA的VGA图形控制器设计[J].科技风，2011（14）：32.
[2] 朱奕丹，方怡冰.基于FPGA的图像采集与VGA显示系统[J].计算机应用，2011，3（5）：1258-1261，1264.
[3] 潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2009.
[4] 杨杰，穆伟斌.基于FPGA的VGA控制器设计与实现[J].齐齐哈尔大学学报，2008，24（6）：50-52.
来源：池清萍 来源：微型机与应用2013年第15期