基于FPGA 的VGA 圖形控制器的實(shí)現(xiàn)方法-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于FPGA的VGA圖形控制器的實(shí)現(xiàn)方法-基礎(chǔ)電子引言

VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到廣泛的應(yīng)用。利用FPGA芯片和EDA設(shè)計(jì)方法，可以因地制宜，根據(jù)用戶的特定需要，設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)的VGA顯示控制器，不僅能夠大大降低成本，還可以滿足生產(chǎn)實(shí)踐中不斷變化的用戶需要，產(chǎn)品的升級(jí)換代方便迅速。

在本設(shè)計(jì)中采用了Altera公司的EDA軟件工具QuartusII,并以ACEX系列FPGA的器件為主實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

1基于FPGA的VGA圖形控制器系統(tǒng)框圖

根據(jù)自頂向下的程序設(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)，我們對(duì)VGA圖形控制器進(jìn)行功能分離并按層次設(shè)計(jì)。利用VHDL硬件描述語言逐一對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行描述，并逐個(gè)通過編譯仿真，到硬件平臺(tái)調(diào)試。本設(shè)計(jì)的VGA控制器主要由以下模塊組成：VGA時(shí)序控制模塊、分頻模塊、漢字顯示模塊、圖像控制模塊、ROM讀取模塊等，如圖1所示。

圖1基于FPGA的VGA圖形控制系統(tǒng)框圖

2主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1VGA時(shí)序控制模塊

VGA時(shí)序控制模塊是整個(gè)顯示控制器的關(guān)鍵部分，終的輸出信號(hào)行、場同步信號(hào)必須嚴(yán)格按照VGA時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)。對(duì)于普通的VGA顯示器，其引出線共含5個(gè)信號(hào)：G,R,B（3基色信號(hào)）,HS（行同步信號(hào)）,VS（場同步信號(hào)）。在5個(gè)信號(hào)時(shí)序驅(qū)動(dòng)時(shí)，VGA顯示器要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640Hz×480Hz×60Hz模式。

對(duì)于VGA顯示器，每個(gè)像素點(diǎn)的輸出頻率為25.175MHz,因此采用50MHz的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過二分頻模塊，得到25MHz的輸入時(shí)鐘脈沖。依據(jù)VGA時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，行同步信號(hào)HS,行周期為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)為行消隱區(qū)，每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為3.81μs（即96個(gè)脈沖）;場同步信號(hào)VS,場周期為16.683ms,每場有525行，其中480行為有效顯示行，45行為場消隱區(qū)，每場有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為63μs（2行）。

圖2VGA行掃描、場掃描的時(shí)序圖

依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，把輸入的25MHz時(shí)鐘脈沖按照對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)和掃描行數(shù)進(jìn)行分頻處理，可以得到符合時(shí)序要求的行頻率和刷新頻率。

利用Altera公司的QuartusII軟件對(duì)VHDL語言描述的VGA時(shí)序控制模塊進(jìn)行編譯、仿真，可得到行同步信號(hào)HS,場同步信號(hào)VS的時(shí)序仿真波形，如圖3所示。

圖3時(shí)鐘信號(hào)仿真圖

由仿真結(jié)果波形可以看到，行同步信號(hào)的時(shí)鐘周期約為31.9μs，場同步信號(hào)的時(shí)鐘周期約為16。

6ms,達(dá)到了VGA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的要求，可以為CRT顯示器提供準(zhǔn)確的行場同步信號(hào)。

在硬件系統(tǒng)上，通過彩條圖案的生成驗(yàn)證了時(shí)序生成的正確性，可產(chǎn)生豎彩條、橫彩條、棋盤格等多種彩條模式。

2.2漢字顯示模塊

漢字生成模塊可實(shí)現(xiàn)在顯示器上顯示漢字、字符等。字模信息可以利用字模提取軟件來獲得，得到了漢字的字模信息后，可以通過屏幕上的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)按照字模信息定義像素的顏色，這樣就可以顯示任何字體、任何點(diǎn)陣的漢字，并根據(jù)需要決定漢字在屏幕上的位置。至于英文以及其他任何符號(hào)的顯示原理與漢字顯示的原理一樣。

顯示器上顯示的漢字精細(xì)度取決于顯示屏所分網(wǎng)格的數(shù)目多少。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同要求設(shè)定不同的網(wǎng)格數(shù)目。Altera公司的FPGA器件內(nèi)均內(nèi)置—26—了嵌入式陣列塊EAB，通過調(diào)用其中的LPMROM模塊，可任意設(shè)置參數(shù)，構(gòu)成內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器，存放所必要的字模信息，能與漢字顯示模塊配合，顯示出任意漢字。

2.3圖形顯示模塊

2.3.1ROM讀取控制模塊

當(dāng)VGA顯示器要顯示一幀圖像，需要比較大的數(shù)據(jù)量，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器難以滿足這么大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，必須把圖像數(shù)據(jù)存入外部的存儲(chǔ)器中。

外部存儲(chǔ)器可以有多種選擇，如ROM,、雙口RAM、甚至SDRAM等，采用何種存儲(chǔ)器將終決定讀取控制模塊的數(shù)據(jù)讀取方式。如ROM可用直接產(chǎn)生地址信號(hào)的方式對(duì)芯片進(jìn)行訪問，而SDRAM常常利用DMA控制方式配合CPU進(jìn)行讀寫操作。

這里采用型號(hào)為28C040的4MEEPROM外部存儲(chǔ)器，可以在單片內(nèi)存儲(chǔ)整屏圖像，同時(shí)考慮到存儲(chǔ)空間的大小，本設(shè)計(jì)采用每個(gè)像素的顏色位深為3位，共可顯示8種顏色。此模塊終仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4地址信號(hào)仿真圖

由圖中的仿真結(jié)果可以看到，地址信號(hào)每兩個(gè)時(shí)鐘脈沖加1,而每兩個(gè)時(shí)鐘脈沖代表掃描過一個(gè)像素點(diǎn)，由此可驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)的正確性。

2.3.2BMP圖像數(shù)據(jù)存入ROM

要把一幅圖像的數(shù)據(jù)寫入ROM,首先必須解決的就是寫入文件的格式問題。一般的方法是通過編程器把IntelHex,或者二進(jìn)制文件。bin逐字節(jié)寫入ROM。而圖像都具有固定的格式，如BMP,JPEG,GIF等，其中的BMP格式圖像是一種很常見的圖像格式，沒有經(jīng)過壓縮處理，且文件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，易于處理，在本設(shè)計(jì)中采用了BMP圖像作為研究對(duì)象。將BMP文件直接轉(zhuǎn)化為IntelHex文件比較困難，因此可先將BMP格式文件轉(zhuǎn)化為mif格式文件，再由QuartusII直接將mif文件轉(zhuǎn)化為IntelHex文件，再將圖像數(shù)據(jù)燒寫入ROM中。由于沒有現(xiàn)成的轉(zhuǎn)換程序，選擇VisualC++自行編寫轉(zhuǎn)換程序。

MemoryInitializationFile（.mif）格式是QuartusII中ROM的初始化數(shù)據(jù)文件格式，它記錄方式比較簡單，其中地址和數(shù)據(jù)都可為十進(jìn)制或十六進(jìn)制，冒號(hào)左邊是地址值，右邊是對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并以分號(hào)結(jié)尾。

相對(duì)mif文件，BMP格式的位圖文件稍顯復(fù)雜，它包括位圖文件頭結(jié)構(gòu)、位圖信息頭結(jié)構(gòu)、位圖顏色表和位圖像素?cái)?shù)據(jù)四部分。位圖文件的保存順序如下：位圖文件頭→位圖信息頭→位圖顏色表→位圖像素?cái)?shù)據(jù)。處理位圖時(shí)要根據(jù)文件的這些結(jié)構(gòu)得到位圖文件大小、位圖的寬、高、實(shí)現(xiàn)調(diào)色板、得到位圖像素值等等。以目前應(yīng)用較為廣泛的24位真彩色圖像為例，其特點(diǎn)是：24位真彩色圖像存儲(chǔ)文件中不帶有圖像顏色表；圖像中每一像素由RGB三個(gè)分量組成，每個(gè)分量各8位，每個(gè)像素需24位；顏色分量值fred,fgreen,fblue的取值范圍都為0～255。

對(duì)于用到顏色表的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值。對(duì)于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R,G,B值，一個(gè)像素是由3個(gè)字節(jié)24位組成，前8位表示B,中間8位表示G,后8位表示R。

由于硬件存儲(chǔ)資源的限制，取圖像像素的位深為3,總共可顯示8種顏色。首先把BMP圖像數(shù)據(jù)的RGB分量分別讀出，并且各取1位，即顏色分量值只能取值‘0’或‘1’。針對(duì)24位真彩色圖像的特點(diǎn)，可對(duì)顏色分量值進(jìn)行粗略取樣，當(dāng)顏色分量值fred127,取fred=1;反之取fred=0。同理，顏色分量值fgreen,fblue可取得相應(yīng)的0,1二值。

在利用VisualC++編寫轉(zhuǎn)換程序時(shí)應(yīng)注意，BMP文件是從左至右，從下至上排列的，即讀文件時(shí)，讀到的是圖像下面一行的左邊個(gè)像素，讀到的是上面一行的右邊一個(gè)像素，這與VGA顯示器的掃描順序恰好相反。

3結(jié)論

經(jīng)過硬件平臺(tái)的驗(yàn)證，基于FPGA的VGA圖形顯示器已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)彩條、漢字、小圖像和大圖像的顯示，并可實(shí)現(xiàn)FPGA器件對(duì)顯示器的單片控制。

由于受到存儲(chǔ)器件容量的限制，本設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)所采用的像素位深為3位，共可顯示8種顏色。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用更大的存儲(chǔ)器，終實(shí)現(xiàn)256色圖像，乃至真彩色圖像的顯示。在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過使用SDRAM等外部存儲(chǔ)器，利用DMA控制方式，并且配合Altera的nios嵌入式軟核CPU,可以在SOPC開發(fā)平臺(tái)上終實(shí)現(xiàn)兼容SVGA,TVGA標(biāo)準(zhǔn)等的更復(fù)雜顯示控制器。

參考文獻(xiàn):

[1].VGAdatasheet/datasheet/VGA_2568786.html.[2].ROMdatasheet/datasheet/ROM_1188413.h