利用FPGA完成VGA顯示控制使其脫離PC機(jī)的控制分析和實(shí)驗(yàn) - 全文

摘要: 本文介紹一種利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)VGA圖像顯示控制的方法，設(shè)計(jì)中采用了Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)賽靈思Basys開發(fā)板進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。首先通過(guò)Image2Lcd軟件分別提取兩幅圖片的色彩信息數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到開發(fā)板的FPGA內(nèi)嵌塊ROM中，然后讀取塊ROM中的圖片信息送到LCD顯示器顯示。利用FPGA完成VGA顯示控制，可以使圖像的顯示脫離PC機(jī)的控制。

如今隨著液晶顯示器的出現(xiàn)，越來(lái)越多的數(shù)字產(chǎn)品開始使用液晶作為顯示終端?；赩GA標(biāo)準(zhǔn)的顯示器仍是目前普遍使用的顯示器。若驅(qū)動(dòng)此類顯示器，需要很高的掃面頻率，以及極短的處理時(shí)間。正是由于這些特點(diǎn)，所以可以用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VGA顯示器的驅(qū)動(dòng)。

雖然VGA專用芯片具有更穩(wěn)定的VGA時(shí)序和更多的顯示模式可供選擇，但設(shè)計(jì)和使用VGA顯示控制更具有以下優(yōu)勢(shì)：
① 使用芯片更少,節(jié)省板上資源,減小布線難度；
② 當(dāng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，具有更小的高頻噪聲干擾；
③ FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)設(shè)計(jì)VGA接口可以將要顯示的數(shù)據(jù)直接送到顯示器，節(jié)省了計(jì)算機(jī)的處理過(guò)程，加快了數(shù)據(jù)的處理速度，節(jié)約了硬件成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

VGA顯示控制整體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示，將其劃分為電源模塊、時(shí)鐘電路模塊、VGA接口模塊、字庫(kù)/圖庫(kù)模塊、顯示器等。再利用Verilog語(yǔ)言對(duì)FPGA的各個(gè)子模塊進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)各個(gè)子模塊的功能分別進(jìn)行調(diào)試，最后將所有調(diào)試成功的子模塊并在一個(gè)頂層模塊下，最終實(shí)現(xiàn)VGA顯示控制設(shè)計(jì)。

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圖1 VGA顯示控制整體設(shè)計(jì)方案框圖

2 VGA顯示控制的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 存儲(chǔ)功能模塊
存儲(chǔ)功能模塊的主要功能是存儲(chǔ)圖片色彩信息, 其存儲(chǔ)媒介為FPGA內(nèi)部的硬核塊RAM, 塊RAM 是以硬核的方式內(nèi)嵌到FPGA 芯片中的, 不占用芯片的邏輯資源, 是FPGA 芯片內(nèi)部的一種寶貴資源。FPGA 內(nèi)嵌的塊RAM 組件可配置為單口RAM、雙口RAM、分布式ROM、塊ROM和先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

本文只進(jìn)行圖片的顯示，所以使用單口的塊ROM存儲(chǔ)圖片信息，如果想實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，如文字的滾動(dòng)顯示、圖片的動(dòng)畫顯示等，可以使用雙口RAM 進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于圖片信息比較大，而BASYS板子上的資源又有限，這就要求圖片不易過(guò)大。搜集的各種資料和不斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大小在8 192字節(jié)內(nèi)的圖片是可以顯示的。這里第一幅圖選用自己的名字徐彬。圖片信息大小為：63×32×8=16 128位。第二幅選用江西科技師范大學(xué)。圖片信息大小為120×50×8=48 000位。尋找到圖片后，利用Xilinx ISE中的IP核生成工具Core Generator生成單口ROM，如圖2所示。

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圖2 單口ROM圖

將要顯示的圖片信息存儲(chǔ)到塊ROM中。第一幅圖片選擇數(shù)據(jù)寬度為8，深度為2 016的ROM。第二幅圖片選擇的ROM數(shù)據(jù)寬度為8，深度為6 000。在工程里使用IP核生成工具生成單口ROM，在生成過(guò)程中處理好ROM的數(shù)據(jù)寬度和深度。塊存儲(chǔ)的時(shí)候，需要加載的是一個(gè).coe文件來(lái)初始化存儲(chǔ)器的內(nèi)容，這時(shí)候需要用到Image2Lcd軟件，取圖片的色彩信息保存為.coe文件初始化到ROM中。

2.2 VGA控制模塊
時(shí)序的驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)VGA顯示控制的一個(gè)重要問(wèn)題，關(guān)系到設(shè)計(jì)是否成功。時(shí)序若不正確，則不能夠正確地顯示，有時(shí)候甚至還會(huì)損害顯示設(shè)備。因此, 時(shí)序的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵循VGA的標(biāo)準(zhǔn), 在此設(shè)計(jì)中使用的分辨率為800×600,要求像素時(shí)鐘為50 MHz。

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圖3 VGA時(shí)序圖

根據(jù)VGA 時(shí)序的標(biāo)準(zhǔn)行、場(chǎng)同步信號(hào)有4種狀態(tài)，時(shí)序圖如圖3所示，具有同步脈沖信號(hào)(Sync)、顯示后沿信號(hào)( Back porch)、I顯示的時(shí)間間隔(Display interval) 、顯示前沿( Front porch),這4種狀態(tài)具有很清晰的時(shí)序規(guī)律。設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器，模為1056 的行計(jì)數(shù)器和模628的列計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz用來(lái)控制行計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)器的值來(lái)控制行信號(hào)HSYNC，然后在通過(guò)行信號(hào)HSYNC來(lái)控制列計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)器的值來(lái)控制列信號(hào)VSYNC。

ROM讀取控制模塊e#

2.3 ROM讀取控制模塊
ROM讀取控制模塊是VGA顯示設(shè)備和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息ROM之間的通道, 為了使VGA顯示設(shè)備能夠準(zhǔn)確地顯示圖片信息，必須嚴(yán)格遵循顯示設(shè)備的掃描規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示信息。

首先，在程序中通過(guò)兩次例化分別調(diào)用存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)嵌ROM中的兩幅圖，然后在程序中通過(guò)坐標(biāo)定位將圖片顯示到想要顯示的區(qū)域。本文的兩幅圖片分別將顯示區(qū)域定在從屏幕的（500, 350）坐標(biāo)到( 563, 382)坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)從屏幕的（400，350）坐標(biāo)到（520，400）坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)。
因?yàn)樵O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能是利用鍵盤上的按鍵對(duì)兩幅圖進(jìn)行切換，所以不必?fù)?dān)心顯示區(qū)域有重疊而產(chǎn)生覆蓋現(xiàn)象。在圖片的顯示過(guò)程中，每當(dāng)坐標(biāo)計(jì)數(shù)器刷新到圖片顯示指定區(qū)域內(nèi)時(shí)，就要判斷相應(yīng)掃描點(diǎn)所包含的圖片信息，將其賦給RGB進(jìn)行色彩的顯示。

3 PS2顯示控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)

3.1 PS/2傳輸協(xié)議
PS/2鍵盤到主機(jī)單向通信的原理如下：PS/2主從設(shè)備之間采用雙向同步串行的機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從設(shè)備的晶振時(shí)鐘信號(hào)作為通信過(guò)程中的同步時(shí)鐘信號(hào)，鍵盤發(fā)送到主機(jī)的每一幀數(shù)據(jù)包含11位二進(jìn)制代碼，每位數(shù)據(jù)在鍵盤時(shí)鐘的下降沿被主機(jī)從數(shù)據(jù)線上讀走。PS/2傳輸協(xié)議如圖4所示。

圖4 PS/2傳輸協(xié)議

這11位數(shù)據(jù)的含義分別是：START為起始位，總是為0，以作設(shè)備同步之用；8個(gè)數(shù)據(jù)位DATA0～DATA7低位在前；PARTTY為奇校驗(yàn)位；STOP為停止位，總是為1。正如鍵按下就會(huì)有掃描碼(通碼)發(fā)往主機(jī)一樣，只要鍵一釋放，就會(huì)有掃描碼(斷碼)發(fā)往主機(jī)。

每個(gè)按鍵都被分配了唯一的通碼和斷碼。PS/2鍵盤第二套掃描碼中，大多數(shù)按鍵的通碼只有一個(gè)字節(jié)，一幀就可以發(fā)完，這些按鍵的斷碼一般是在通碼前面加個(gè)F0h，所以這些兩個(gè)字節(jié)的斷碼就需要兩幀來(lái)發(fā)送。比如G鍵的通碼34h、G鍵的斷碼F0h 34h，按下G鍵后，然后松開G鍵，鍵盤就會(huì)依次向主機(jī)發(fā)送34h、F0h 34h。但此次設(shè)計(jì)所用到的輸入按鍵是通碼有兩個(gè)字節(jié)，斷碼有三個(gè)字節(jié)的特殊按鍵。

3.2 鍵盤按鍵控制實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)中只用到了兩個(gè)按鍵——左鍵和右鍵，而且實(shí)驗(yàn)只需用左鍵控制第一幅圖片的顯示，右鍵控制第二幅圖片的顯示。因此，只需要在程序中檢測(cè)到這兩個(gè)按鍵的通碼即可，即檢測(cè)到左鍵的通碼到來(lái)即顯示徐彬二字的圖片，當(dāng)松開按鍵時(shí)，不需要考慮其斷碼需要帶來(lái)某種操作，繼續(xù)保持第一幅圖片的顯示。

當(dāng)檢測(cè)到右鍵的通碼到來(lái)即顯示江西科技師范大學(xué)的圖片，當(dāng)松開按鍵時(shí)，也不需要考慮其斷碼需要帶來(lái)的某種操作，繼續(xù)保持住第二幅圖片的顯示。而對(duì)其余的按鍵在本次設(shè)計(jì)中暫不需要考慮。

4 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示控制

4.1 數(shù)碼管點(diǎn)亮控制
數(shù)碼管按其段數(shù)分可七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，它們的區(qū)別在于八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光的二極管單元，即多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示段。按照顯示“8”的個(gè)數(shù)，又可分為1位、2位、4位等數(shù)碼管。

數(shù)碼管按發(fā)光二極管的連接方式可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接到一起形成一個(gè)公共陽(yáng)極數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管應(yīng)用時(shí)，應(yīng)將公共陽(yáng)極接到+5 V或+3.3 V，若某一段的發(fā)光二極管的陰極為低電平，則相應(yīng)段就點(diǎn)亮，若為高電平，則相應(yīng)段就不被點(diǎn)亮。共陰數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成一個(gè)公共陰極的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共陰極接地，若某一段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平，則相應(yīng)段就被點(diǎn)亮，若某段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，則相應(yīng)段就不被點(diǎn)亮。

可以看出數(shù)碼管是共陽(yáng)極的4位數(shù)管碼，即給低電平時(shí)數(shù)碼管點(diǎn)亮，如圖5所示。

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圖5 數(shù)碼管點(diǎn)亮

4.2 數(shù)碼管數(shù)字顯示控制：
由于所有數(shù)碼管共用一個(gè)段選，為了能夠獨(dú)立顯示每位數(shù)碼管，只能用位選來(lái)區(qū)分不同的數(shù)碼管。即每次只將某一位數(shù)碼管的位選置為有效，其他的數(shù)碼管位選都無(wú)效。此時(shí)的段選決定了該位數(shù)碼管的顯示內(nèi)容，然后在下一時(shí)刻，置下一位數(shù)碼管的位選有效，而其他的數(shù)碼管位選都無(wú)效。依此類推，不斷循環(huán)往復(fù)。

每次位選刷新速度比較快，同時(shí)由于數(shù)碼管自身的余輝特性，使每位數(shù)碼管在其變暗之前就又會(huì)被重新刷新，因此人眼則無(wú)法感覺到數(shù)碼管變暗。如果刷新頻率低于一定值，則人眼會(huì)感覺到數(shù)碼管在閃爍。所以，一般刷新頻率會(huì)在60 Hz～1 kHz之間，這樣多位數(shù)碼管顯示比較理想。

該設(shè)計(jì)是在開發(fā)板Basys上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其是共陽(yáng)極的4位數(shù)碼管，而在此項(xiàng)目工程中只需使用到1個(gè)數(shù)碼管，所以在動(dòng)態(tài)顯示中將其他的3位數(shù)碼管置1屏蔽不亮。程序如下：
case(cnt[16:15])//大約每1 ms刷新一次
2’d0:wei xuan<=4’b1110;//第一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮
2’d1:wei xuan<=4’b1111;
2’d2:wei xuan<=4’b1111;
2’d3:wei xuan<=4’b1111;//其他三個(gè)數(shù)碼管不亮
default:wei xuan<=wei xuan;
endcase

這樣即實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)所想達(dá)到的要求。

以上是對(duì)位選的一個(gè)介紹，而對(duì)于段選，數(shù)碼管可以顯示從0到f這16個(gè)字符，只需要分別對(duì)0到f進(jìn)行編碼顯示。本次設(shè)計(jì)不需要如此復(fù)雜，由于只用到1和2兩個(gè)數(shù)字，因此，對(duì)1和2進(jìn)行段選編碼即可。程序如下：
case(image)//image是用來(lái)控制要選擇的圖片
2’d0:duan xuan<=8’hf9;//數(shù)碼管顯示1時(shí)的編碼
2’d1:duan xuan<=8’ha4;//數(shù)碼管顯示2時(shí)的編碼
default:duan xuan<=duan xuan;//數(shù)碼管保持狀態(tài)
endcase

這樣即實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)所想達(dá)到的要求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)的環(huán)境
實(shí)驗(yàn)的環(huán)境包括：
① 開發(fā)工具：Xilinx ISE 9.1。
② 開發(fā)語(yǔ)言：硬件描述語(yǔ)言verilog HDL。
③ 目標(biāo)板：Xilinx公司Basys開發(fā)板。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
如圖6、圖7所示，屏幕上顯示兩幅圖片，利用鍵盤，通過(guò)控制鍵盤的左右鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)兩幅圖片的切換，并使用數(shù)碼管顯示。當(dāng)按下左鍵的時(shí)候屏幕出現(xiàn)第一幅圖片（徐彬）并且數(shù)碼管顯示為1，當(dāng)按下右鍵的時(shí)候屏幕出現(xiàn)第二幅圖片（江西科技師范大學(xué)）并且數(shù)碼管顯示為2。

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圖6 實(shí)驗(yàn)圖一

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圖7 實(shí)驗(yàn)圖二

實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了預(yù)想的效果。如果增加塊ROM的容量，則可以顯示更大的圖片，更改方便，也可以調(diào)整圖片的顯示位置。

結(jié)語(yǔ)
利用FPGA完成VGA顯示控制，可以使圖像的顯示脫離PC機(jī)的控制，形成體積小、功耗低的格式嵌入式系統(tǒng)（便攜式設(shè)備或手持設(shè)備），應(yīng)用于地面勘測(cè)、性能檢測(cè)等方面，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。該技術(shù)方案已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有多種實(shí)際應(yīng)用。

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詹華群（教授），研究方向?yàn)楝F(xiàn)代信號(hào)與信息處理；徐彬（碩士研究生）， 研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制及數(shù)控系統(tǒng)。