基于FPGA的VGA波形显示系统设计与实现.docx

文章编号 ：（）基于 的 波形显示系统设计与实现郑争兵（陕西理工学院 物理与电信工程学院，陕西 汉中 ）摘要 ：为了适应嵌入式系统显示终端的图形显示应用 需要 ，提出了一种通用的 波 形 显 示 系 统。 依 据 的 显 示 原理 ，该 系统 内部集成 控制模块 、双 口 模块 和 显 示 控 制 模 块 ，利 用 双 口 完成了采集数据 的缓存 ，通 过 显示控制模块读取缓存数 据 ，产 生 标 准 的 控 制 时 序 信 号 ，实现数据的图形显示 。 测 试 结 果 表 明 ：基 于 的波形显示系统能够产生正确的 接口时序 ，完成波形数据的稳定显 示。 该系统具有自主知识产权 核 ，方 便移植 ，为 基于 的嵌入式可视化终端提供一种较好的解决方案。关 键 词 ：现 场可编程门阵列 ；视 频图形阵列 ；波 形显示 ；显 示模式中图分类号 ：文献标识码 ： （，）： ， ， ， ， ， ， ：；引言视频图形阵列（，）是一种视频显示标准，具 有分辨率高，反 应速度快， 显示彩色颜色等优点，被 广泛应用于各类显示终 端。为了较好地实现终端的图形显示 ，通 常采用 专门的显卡完成视频信号的采集 、缓 存和显示。收稿日期 ：；修 订日期 ：基金项目 ：陕西省教育厅科研计划项目资助（）；陕西理工学院科研计划（）第 期郑争兵：基于 的 波形显示系统设计与实现 这种系统的 硬 件 较 为 复 杂 ，集 成 度 低，而 且 成 本 较高，很难 满 足 嵌 入 式、便 携 式 智 能 仪 表 的 应 用 要求。 随着高性能的现场可编程 门 阵 列 （ ，）的广泛应用， 拥有丰富的硬件资源 ，较 强的可重配置能 力，可以实 现 自 主 知 识 产 权 核，减 小 系 统 硬 件 规 模，已经成为嵌入 式系统设计的主流硬件平台之 一。 因此，提出一种基于 的 波形 显示系统，能 够充分利用 构建的 显 示控制电路，实现 标准时序下的液晶显示控制和 驱动功能，完成 信号波形的快速显示。 该系统设 计的 显 示 控 制 电 路 核，具 有 较 好 的 重构性，在 适 当 修 改 代 码 的 情 况 下，可 移 植 到 其 他 嵌入式系统作为显示控制器模块调用， 实现高速存储设备后续显示终端高分辨率显示。系统设计 总体方案设计基于 的 波形显示 系统整体结构框图 如图 所 示。 系 统 主 要 由 信 号 采 集 芯 片 、 模块和 显示器组成。 模块作为系统核心部分 ，主 要完成数据读取、 处理及逻辑控制，数 据传输和数据的显示控制功 能，该模块 包 含 模 块、 控 制 模 块、双 口 和 显示控制模块。 控制模块为 芯片提供时钟信号、使能信号 并为 转换后的数据 提 供缓存。 双口 实现采样高速数据的缓 存。 显 示 控制模块负责缓存数据的读取 ，数据的转换并产 生适合 颜 色 显 示 的 红、绿、蓝 三 基 色 信 号 、 行 同 步 信 号 和 场 同 步 信 号 ，使 显示 器 在 工 业 标 准 时 序 驱 动下正确显示波形。 硬件接口电路设计标准的 接口由 、 三色模拟信号 线和 行、场 同 步 数 字 信 号 线 构 成 针 型 接 口，为了实现 与 接 口 的 正 确 连 接 和种颜色的显 示，具 体的硬件电路如图 所 示。由 芯片所产生的 位颜色信号由 至 端口送入 锁存器后，经 锁 存后由 至 端 输 出。 至 路 数 据 经 、 电阻网络合成 信图 系统硬件结构框图 号，至 路数据经、 电阻网 络合成 信号， 至 路数据经 、 电 阻 网 络 合 成 信 号。 芯 片 所 产 生 的 行 同 步 、场 同 步 时 序 驱 动 信号经过限流电阻连接到 接口的行、场同步引脚。图 与 接口连接电路 波形显示控制器设计 时序关系分析 显示器主要是通过逐行扫描方式实现 图形信号的显示。为了便于实现， 内部 主时 钟 为 ，通 过 锁 相 环 得 到 接 口 时 钟 信 号。 利 用行计数器和场 计数器实现行、场 时序驱动。 具体的行扫描信号 和场扫描信号的时序关系如图 所示。液晶与显示第 卷图 行信号与场信号时序关系图 本设计中的显示模式为 ， 每个像素点 的 输 出 频 率 为 ，行 频 率 为 ，场 频 率 为 。 一 个 周 期行扫描信号由个 时间同步头、 个 行消 隐 前 肩、 个 有 效 数 据 显 示 区 域 和 个 行消隐后肩 组成。 场信号计数器驱动时钟是 行计数器的溢出信号，即 当 行 计 数 器 为 个 时，场计数器加。因此场计数器 一个周期是 行，在行计数器和场计数同时计数到有 效显 示区域时，图形数据才能正确 。 波形显示方法 显示器 采 取 从 左 到 右，从 上 而 下 的 方 式扫描，利 用 行、场 同 步 计 数器可以确定图形 像 素扫描点 在 显 示 区 域 中 的 相 对 坐 标 位 置 与 在 双 口 中的地址数量关系，由 此 完 成 图 形 数 据 在显示区域的显示。假设 表示行计数器值， 表示场计数器值，（，）表示为 扫描 点在显 示区 域的任何一像素 点。波形显示区域大小为 （位 于 率较高的波 形，容 易 丢 失 波 形 陡 峭 位 置 的 信 息， 视觉效果不好。为此对该方法进行改进 ，可 以实 现任意频率波形的显示，具 体的波形数据显示方 法流程如图所示。扫描点（，）随 着 ， 的改 变移动 显 示 位 置，在 扫 描 点 到 达 波 形 显 示 区 域（，）时，利用 作为波形数据在双口 中 的地址读取。数据 （ ），（ ），将 值 与当前波形数据（）和 前一时刻波形数据 （）进行比较，如果 值介于二者之间，则在 扫描点（，）处按照指 定的颜色显示波形像素 点，否则显示背景色。图 波形数据显示流程图 显示控制模块设计区域内），起 始 点 位 置 为 （， ），则 扫 描 点 坐 标（，）在波形显示区域满足如下关系 ： ，（） 其中： 表 示 显 示 区 域 长 度， 表 示 显 示 区 域宽度。确定 作为双口 存储器的读 地址，利用 值作为波形数据在双口 中的 地址读取数据 （ ），通 过比较 （ ）和 的值确定是 否显示数据。 比较简单的显示 方法是：如果 （）和 相 等 则 指 定 颜 色 显 示 数据，否则显示 背景色。 该方法不能连续显示频 芯片 主要完 成外部波形数据的采集 和控制图形数据的 显示。 由于采集图形数 据量 较 大，利 用 自 带 的 可 配 置 的 双 口 模块作为缓冲区。 根据显示波形区域大小 和 显 示 模 式， 存 储 的 数 据大小 为 ，数 据 地 址 位 宽 位。 只 需 要通过显示控制模块对 进 行 读 取 操 作，然 后按照波 形 显 示 方 法 完 成 波 形 像 素 位 置 与 颜 色 显示的转化，最 后产生标准的 接口 时 序 实 现像素点的显示。 因此，显示控制模块的设计 是 实现 显 示 的 关 键。 该模块中产生标准的 接口行、场信号 时序即可驱动显示器 ，利 用第 期郑争兵：基于 的 波形显示系统设计与实现 双口 的“满”标 志信号读取数据 ，对 读 取 的 数据 进 行 转 换 处 理，完 成 数 据 的 显 示。 其 关 键 代码如下： （， ，）；（）显示栅格 ； 显示背景 ； ；时钟 ； 波形显示使能 ：； 行扫描计数器 ：； 场扫描计数器 ：； 波形存储器读数据 ：；波形存储器读地址 ：；显示数据输出：； ：； ：； ：；显示栅格标志；显示波形标志 ； 波形颜色绿 ； 栅格颜色黑 ； 背景颜色浅蓝双口 地址 ： ； ； ：；波形显示计算 （） ；锁存上一时刻值时序仿真与验证本文采用的 芯 片 选 择 公 司 的 系列 器件，使 用 硬件描述语言，在 环境下 完 成了显示 控 制 模 块 的 设 计 并 进 行 了 相 应 的 时 序 仿真， 接口时序仿真如图、图、图所示。 是 行计数器时钟信号；是读 取 双 口 的 波 形 数 据； 是 显示颜色数据；是场同步信号，图 接口时序仿真图（） （） （ ）（ ） （） （ ）；栅格显示计算，共分 大格，每 一大格分 小 格，每小格包括个数据点 （： ）（：！ ） （： ） （ ） （： ）；显示数据输出 （） （ ） 显示波形 ；是行同步信号；为行计数器，图 接口时序仿真图（） （）图 接口时序仿真图（） （）液晶与显示第 卷图 显示器波形显示结果 为场计数器。由图可知：行计数 器 计 数 到，行 计数器清零，开 始重新计数，此 时 行 同 步信号 由 高电平变为低电平，进 入下一行 的行消隐 期，场 计 数 器 加 ，当 行 计 数 器 计数到，场计数 器 计 数 到，且行 同 步 信 号 为 高 电 平，场 同 步 信 号 为 高 电 平，此 时 接 口 数 据 信 号 输出颜色数据 ， 接口信号严格 满足接口时序要求。为 验 证 系 统 在 显 示 模 式 下的显示效果，系统上电后通过 接口在显 示器上显示采集的波形信号图，显示区域大小为 位于显示 屏中央，其实物效果图如图 所示。显示效果良好，显示位置可以任意调整。结论以 显 示 模 式 为 例，结 合 芯 片 控 制，阐 述 了 一 种 基 于 的 波形显示方法，并在 公 司的 系列 器件进行了验证，波 形数据 能够连续 稳 定 地 显 示。 该 显 示 设 计 方 法 能 够 应 用于其他分辨率（， 等）的 显示，且 具有可重配置 性和丰富的片内资源，编程大大简化，且 基于 开 发 的 显 示 控 制 模 块，具 有 自 主 知 识 产权 核，方便移植，为 基于 的嵌入式终 端显示提供了一个较好的解决方案。参考文献： 郑争兵 一 种基于 的 电路设计国 外电子测量技术 ，（）： ，（）：（） 郑争兵 基 于 的 调制解调系统设计陕 西理工学院学报 ：自 然科学版 ，（）： ：，（）：（） 郑争兵 基 于 的 数字滤波器设计与验证陕 西理工学院学报 ：自 然科学版 ，（）： ：，（）：（） 刘敏 ，戴 曙光 ，穆 平安 采 用 核技术实现液晶屏显示液 晶与显示 ，（）： ， ，（）：（） 郑争兵 基 于 的图形点阵液晶显示系统设计与实现液 晶与显示 ，（）： ，（）：（） 郑争兵 基 于 的高速采样缓存系统的设计与实现计 算机应用 ，（）： ，（）：（） 熊文彬 ，蒋 泉 ，曲 建军 ，等 基 于 实现的视频显示系统液 晶与显示 ，（）： ， ，（）：（） 袁堂青 ，张 玉 璘 基 于 的 汉字显示系统设