编号基于FPGA的VGA接口显示的设计与实现Design and implementation of VGAinterface based on FPGA display学生姓名王雪专业控制科学与工程学号S120400520指导教师杨晓慧学院电子信息工程学院二〇一三年六月摘要利用现场可编程逻辑器件FPGA产生VGA时序信号和彩条图像信号,并将其作为信号源,应用于彩色等离子显示器的电路开发,方便彩色等离子显示器驱动控制电路的调试。
FPGA芯片具有可靠性高、编程灵活、体积小等优点，实验经过软硬件调试，最终在显示器上显示彩条正确图像。
利用此原理，可以设计更多的彩色图像，且可将采集的图像进行实时显示，将此作为信号源，应用于显示器电路的开发或某些嵌入式系统中，进行视频设备的调试与性能分析或系统中信号处理模块的调试与性能分析等。
关键词：FPGA VGA接口时序控制彩条信号AbstractVGA-timing signals and color strip image were obtained by using FPGA.The signals were used as sources when developing the circuits of color plasma display panel, and it took great convenience to the debugging of the driving and controlling circuit of color plasma display panel.The FPGA chip has the advantages of high reliability, small volume, flexible programming,just because of this,the test could achieve the desired results,display scree displays color bar signals.According to this principle, we can design color image more, and make the image real-time display, such as the signal source, used in display circuit development or some embedded systems, video equipment debugging and performance analysis of the system signal processing module debugging and performance analysis.Keywords:FPGA, VGA interface,timing control, color bar signals目录摘要 (1)Abstract (2)第一章引言 (4)第二章VGA显示接口的方案设计和原理 (5)2.1 VGA接口 (5)2.2 VGA显示原理 (5)2.3 VGA信号时序 (6)2.4 VGA显示方案实现 (7)第三章系统模块设计 (8)3.1系统模块原理图 (8)3.2 分频模块 (8)3.3 VGA彩条信号产生模块 (8)3.4 实验结果 (12)第四章结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)第一章引言视频图形阵列（VGA）作为一种标准的显示接口已经得到广泛的应用。
利用现场可编程逻辑器件产生VGA时序信号和彩条图像信号，并将其作为信号源，应用于电视机或计算机等彩色显示器的电路开发，方便彩色显示器驱动控制电路的调试。
计算机显示器的显示有许多标准，常见的有VGA，SVGA等。
在这里尝试用FPGA实现VGA图像显示控制器，这一过程通过编程实现，之后通过软件的测试和仿真，当软件验证无误后完成硬件的下载验证，最终在CRT显示器上实现输出，基本原理就是利用FPGA的可编程原理和VGA的时序控制原理，这在产品开发设计中有许多实际应用。
第二章VGA显示接口的方案设计和原理2.1 VGA接口VGA（Video Graphics Array）作为一种标准的显示接口已经得到非常广泛的应用。
VGA在任何时刻都必须工作在某一显示模式下，其显示模式分为字符显示模式和图形显示模式，而在应用中讨论的是图形显示模式。
VGA显示卡端的接口为 15 针母插座,接口如图2-1所示。
该端口通过标准的监视电缆直接连接到PC 监视器或平板 LCD 上。
图2-1为VGA接口。
图2-1 VGA接口2.2 VGA显示原理常见的彩色显示器一般由阴极射线管(CRT)构成,彩色由GRB(Green Red Blue)基色组成。
显示采用逐行扫描的方式解决,阴极射线枪发出电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上,产生GRB基色,合成一个彩色像素。
扫描从屏幕的左上方开始,从左到右,从上到下,逐行扫描,每扫完一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置,在这期间,CRT对电子束进行消隐,每行结束时,用行同步信号进行行同步;扫描完所有行,用场同步信号进行场同步,并使扫描回到屏幕的左上方,同时进行场消隐,并预备进行下一次的扫描。
VGA显示原理图如图2-2所示。
在本文中，FPGA 通过串联电阻直接驱动 5 个 VGA 信号。
每个颜色信号串一个电阻，每位的颜色信号分别是 VGA_RED，VGA_GREEN，VGA_BLUE。
每个电阻与终端的 75 欧电缆电阻相结合，确保颜色信号保持在VGA规定的0V～0.7V之间。
VGA_HSYNC 和VGA_VSYNC 信号使用 LVTTL 或 LVCMOS3I/O 标驱动电平。
通过VGA_RED，VGA_GREEN，VGA_BLUE 置高或低来产生 8 种颜色。
实际应用中，VGA_RED，VGA_GREEN 和 VGA_BLUE 可以接到 DAC 的输出，每个 DAC 用 8 bit 或更多的比特控制，3 条色彩控制线根据DAC 输出的电压大小配合实现更多种颜色的显示。
VGA 显示的原理是利用水平扫描信号和竖直信号实现二维平面的像素扫描显示，以640×480 像素的扫描显示示意图为例，当水平扫描信号VGA_HSYNC 信号为高时，VGA 显示器从左向右依次扫描当前行的 640 个像素点。
每扫描完一行，VGA_HSYNC 信号电平拉低，水平扫描位置回到最左端。
显示处理控制电路显示设备R GB HS,VS图2-2 VGA 显示基本原理图2.3 VGA 信号时序普通的VGA 显示器，其引出线共含5个信号：G,R,B 三基色信号；HS ：行同步信号；VS ：场同步信号。
对于5个信号的时序驱动，以及VGA 显示器，要严格遵循“VGA 工业标准”，即640*480*60Hz 模式。
通常我们用的显示器都满足工业标准，因此设计VGA 控制器是要参考显示器的技术规格。
图2-3为VGA 行扫描、场扫描的时序图。
图2-3 VGA 行扫描、场扫描时序VGA 工业标准所要求的频率： 1) 时钟频率（Clock frequency ）：25.175Hz （像素输出的频率）； 2) 行频（Line frequency ）：31469Hz; 3) 场频（Field frequency ）：59.94Hz （每秒图像刷新频率）表 2-1 行、场扫描时序要求2.4 VGA显示方案实现本文以FPGA芯片作为中央控制器控制整个系统的处理,根据自顶向下的设计流程,按照层次化、结构化的设计方法可以将FPGA系统划分为以下几个模块:顶层模块、分频模块、VGA控制模块。
FPGA系统功能的实现框图如图2-4所示。
二分频VGA时序控制顶层控制模块显示设备RAM读取控制CLK50MHz图2-4 FPGA系统功能实现框图系统工作原理为系统加电FPGA芯片读入配置信息,配置完成后, FPGA进入工作状态,将要显示的信息初始化到单口RAM中,由系统时钟产生时序,程序根据时序信息控制VGA接口输出行、场同步及颜色信息到显示器上。
第三章系统模块设计3.1系统模块原理图系统主要有分频模块、VGA彩条信号产生模块以及显示设备构成，系统模块顶层原理框图如图3-1所示。
图3-1 系统顶层原理框图3. 2 分频模块3.2.1 PLL分频模块原理图VGA工业标准所要求的频率为25.175Hz，而FPGA芯片输出的频率为50MHz,因而必须对FPGA输出频率进行分频，采用二分频即可，利用锁相环的分频功能得到，分频模块如图3-2所示。
图3-2 PLL分频模块原理3.3 VGA彩条信号产生模块3.3.1系统控制原理VGA时序信号产生包括行点计数器x_cnt(计数个数用nx表示)、场点计数器y_cnt(计数个数用ny表示)、行同步信号hsync、场同步信号vsync、有效显示区Visible area等。
其中行点计数器是800进制计数器,场点计数器是525进制计数器。
根据VGA时序的工业标准行、场同步信号有4种状态:同步脉冲信号(Sync),显示后沿信号(Back Porch),可视显示区(Visible area),显示前沿(FrontPorch)。
这4种状态具有很清晰的时序规律,可以用有限状态机来实现这4种状态的转换,用h_state来表示行同步状态机的4种状态: h_sync, h_back, h_visible,h_fron;t v_state来表示场同步状态机的4种状态: v_sync, v_back, v_visible, v_front。
行、场计数器的值决定了状态机在何时进行状态翻转。
竖彩条发生模块根据行点数器h cnt的计数值来产生彩条,它对行点数计数器的数值进行判断,每80条竖线生成一种竖彩条,共8种竖彩条红、绿、黄、蓝、粉、青、灰和黑。
图3-3 VGA控制3.3.2 仿真波形图3-4 仿真波形图3.3.3 模块程序使用verilogHDL 硬件语言描述波特率发生器的完整代码如下：module VGA_controller (// VGA SideoVGA_R,oVGA_G,oVGA_B,oVGA_H_SYNC,oVGA_V_SYNC,// Control SignaliCLK,iRST_N);//Horizontal Parameter ( Pixel )parameter H_SYNC_CYC = 11'd96;parameter H_SYNC_BACK = 11'd48;parameter H_SYNC_ACT = 11'd640; // 646parameter H_SYNC_FRONT= 11'd16;parameter H_SYNC_TOTAL= 11'd800;// Virtical Parameter ( Line )parameter V_SYNC_CYC = 11'd2;parameter V_SYNC_BACK = 11'd32;parameter V_SYNC_ACT = 11'd480; // 484parameter V_SYNC_FRONT= 11'd11;parameter V_SYNC_TOTAL= 11'd525;// Start Offsetparameter X_START = H_SYNC_CYC+H_SYNC_BACK; parameter Y_START = V_SYNC_CYC+V_SYNC_BACK; // VGA Sideoutput reg oVGA_R;output reg oVGA_G;output reg oVGA_B;output reg oVGA_H_SYNC;output reg oVGA_V_SYNC;// Control Signalinput iCLK;input iRST_N;// Internal Registers and Wiresreg [10:0] H_Cont;reg [10:0] V_Cont;wire [10:0] x_position;assign x_position=H_Cont-X_START;//generate coloralways @(H_Cont)beginif(x_position<80) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b001;else if(x_position<160) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b010;else if(x_position<240) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b011;else if(x_position<320) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b100;else if(x_position<400) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b101;else if(x_position<480) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b110;else if(x_position<560) {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b111;else {oVGA_R,oVGA_G,oVGA_B}<=3'b000;end// H_Sync Generator, Ref. 25.175 MHz Clockalways@(posedge iCLK or negedge iRST_N)beginif(!iRST_N)beginH_Cont <= 11'd0;oVGA_H_SYNC <= 1'b0;endelsebegin// H_Sync Counterif( H_Cont < H_SYNC_TOTAL )H_Cont <= H_Cont+11'd1;elseH_Cont <= 11'd0;// H_Sync Generatorif( H_Cont < H_SYNC_CYC )oVGA_H_SYNC <= 1'b0;elseoVGA_H_SYNC <= 1'b1;endend// V_Sync Generator, Ref. H_Syncalways@(posedge iCLK or negedge iRST_N) beginif(!iRST_N)beginV_Cont <= 11'd0;oVGA_V_SYNC <= 1'b0;endelsebegin// When H_Sync Re-startif(H_Cont==11'd0)begin// V_Sync Counterif( V_Cont < V_SYNC_TOTAL )V_Cont <= V_Cont+11'd1;elseV_Cont <= 11'd0;// V_Sync Generatorif( V_Cont < V_SYNC_CYC )oVGA_V_SYNC <= 1'b0;elseoVGA_V_SYNC <= 1'b1;endendendEndmodule3.4实验结果尝试用FPGA实现VGA图像显示控制器，经过查阅相关资料，制定系统方案，硬件设计和软件设计以及系统调试得到实验结果为显示器显示红、绿、黄、蓝、粉、青、灰和黑八种竖向条文。