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文档简介
哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 0 摘 要 本设计是用 FPGA 来实现 VGA 图像控制器 控制显示器显示彩条信号 用 VHDL 语言 在 QuartusII 上实现软件仿真 本文首先介绍了 VGA 显示的基本原 理 然后提出了一种 VGA 图像控制器的设计方案 并用 VHDL 硬件描述语言和原 理图输入的方法完成了该方案的设计 通过显示横彩条 竖彩条 棋盘格 验 证了 VGA SYNC 同步信号功能模块时序的正确性 软件实验环境为 Quartus II 6 0 开发软件 本系统尝试用 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 例如显示器 电视等的维修 可以期 望采用 FPGA 设计的 VGA 接口可以将要显示的数据直接送到显示器 就可以可靠 的找到故障的大致原因等 从而省掉每次都要接信号源的麻烦 同时也节约了 成本 节省了计算机的处理过程 加快了数据的处理速度 节约了硬件成本 同时亦可将其作为信号源 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 关键词 VGA FPGA 图像控制器 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 1 目录 1 绪论 2 2 设计要求及方案论证 3 2 1 设计要求 3 2 2 设计方案 3 3 系统设计 4 3 1 设计原理 4 3 2 程序设计 5 3 2 1 时钟部分 5 3 2 2 色彩显示部分 5 3 2 3 程序流程图 5 4 系统仿真 5 5 实验小结 9 参考文献 11 程序清单 11 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 2 1 绪论 现如今 随着液晶显示器的出现 越来越多的数字产品开始使用液晶作为 显示终端 但基于 VGA 标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器 若驱动此 类显示器 需要很高的扫面频率 以及极短的处理时间 正是由于这些特点 所以可以用 FPGA 来实现对 VGA 显示器的驱动 在许多图像处理系统中 需要将经过处理的图像显示出来 如果采用传统 的办法将图像数据传回电脑并通过显示器显示出来 那么在传输的过程中就需 要嵌入式系统的 CPU 不断的对所传输的图像数据信号进行控制 这样就造成了 CPU 资源的浪费 同样系统还需要依赖电脑 降低了系统的灵活性 如果采用 FPGA 对显示器的 VGA 接口进行设计 数据流只需要在整个系统的内部流动 而 不需要依靠计算机 实现了系统的最小化 大大减少了电路板的尺寸 增强了 系统的可靠性和设计的灵活性 VGA 视频图形阵列 作为一种标准的显示接口 因为其输出信息量大 输 出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备 与此同时 各种 大规模集成电路的出现也为大量数字化信息的处理提供了有效的手段 其中 FPGA 现场可编程逻辑阵列 即是其中比较有代表性的一种 FPGA 现场可编 程门阵列 是可编程逻辑器件 它是在 PAL GAL 等逻辑器件的基础上发展起 来的 同以往的 PAL GAL 等相比 FPGA 的规模比较大 它可以替代几十甚至 几千块通用 IC 芯片 它以操作灵活 开发迅速 投资风险低 可多次编程擦 写和系统可编程等特点而成为一种可优化硬件电路设计且具竞争力的产品 本设计依据 Altera 公司 Cyclone II 系列的 FPGA 进行设计 最终实现横彩 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 3 条 竖彩条 棋盘格 字符 汉字及单色图像的显示 设计的硬件部分采用 DE2 开发板 内含 Altera Cyclone II 系列的 EP2C35F672C6 FPGA 芯片 并 集成了许多外设 其中包含 VGA 显示接口 软件部分用 VHDL 语言进行编程 并 在 Altera 公司的 EDA 软件工具 Quartus 进行程序编译 调试 波形仿真和 下载 2 设计要求及设计方案 2 1 设计要求 学会使用软件进行设计与仿真 通过对电路的设计 编程和仿真 学习的 兴趣 具体要求如下 对于普通的 VGA 显示器其引出线共含 5 个信号 R G B 三基色信号 HS 行同步信号 VS 场同步信号 按照其扫描时序进行控制 显示彩条信号 2 2 设计方案 CPLD 是整个系统的核心 通过对其编程可输出 RGB 三基色信号和 HS VS 行场扫描同步信号 当 CPLD 接受单片机输出的控制信号后 内部的数据 选择器模块根据控制信号选通相应的图像生成模块 输出图像信号 与行场扫 描时序信号一起通过 15 针 D 型接口电路送入 VGA 显示器 在 VGA 显示器上便 可以看到对应的彩色图像 CPLD 所需的工作时钟由外部高精度有源晶振提供 系统原理框图如图 2 1 控 制 按 键 电源 CPLD 接 口 电 路 VGA 显示器 时钟电路 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 4 图 2 1 系统原理框图 3 系统设计 3 1 设计原理 工业标准的 VGA 显示模式为 640 468 16 色 60Hz 常见的彩色显示器 一般由 CRT 阴极射线管 构成 彩色是由 R G B 红 绿 蓝 三基色组成 CRT 用逐行扫描或隔行扫描的方式实现图像显示 由 VGA 控制模块产生的水平 同步信号和垂直同步信号控制阴极射线枪产生的电子束 打在涂有荧光粉的荧 光屏上 产生 R G B 三基色 合成一个彩色像素 扫描从屏幕的左上方开始 由左至右 由上到下 逐行进行扫描 每扫完一行 电子束回到屏幕下一行的 起始位置 在回扫期间 CRT 对电子束进行消隐 每行结束是用行同步信号 HS 进行行同步 扫描完所有行 再由场同步信号 VS 进行场同步 并使扫描回到屏 幕的左上方 同时进行场消隐 预备下一场的扫描 行同步信号 HS 和场同步 信号 VS 是两个重要的信号 显示过程中 HS 和 VS 的极性可正可负 显示器内 可自动转换为正极性逻辑 VGA 行同步信号 HS 和场同步信号 VS 的时序图如图 2 所示 T1 为行同步消 隐 约为 6 s T2 为行显示时间 约为 26 s T3 为场同步消隐 两个行周 期 T4 为场显示时间 480 个行周期 显示器每扫描完一行 再扫描一下行时会花一定时间来准备 因此要满足 时序要求 见图 3 1 从 0 计数到 639 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 5 图3 1 VGA行扫描时序图 同样每扫描完一帧 再扫描下一帧行时也会花一定时间来准备 因此也要 满足其时序要求 见图 3 2 图3 2 VGA场扫描时序图 对于VGA 显示器的上述五个信号的时序驱动要严格遵循 VGA工业标准 即640 480 60HZ模式 否则无法显示正确地图象 VGA工业标准要求的频率 时钟频率 25 175MHz 像素输出的频率 行频 31469Hz 场频 59 94Hz 每秒图像刷新频率 3 2 程序设计 3 2 1 时钟部分 试验箱上时钟脉冲是 20MHz 因此在实验时需要对其进行分频 才能实现 功能 若需要 1Hz 的时钟 则需要对脉冲进行 10000000 次分频 本设计由锁 相环产生 25MHz 时钟 如图 3 3 从 0 计数到 479 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 6 图 3 3 3 2 2 色彩显示部分 图象信号显示的颜色种类与表示R G B三基色的二进制数位数有关 表 3 1列出了8种颜色的编码方式 表 3 1 本设计共可产生 3 种显示模式 6 种显示变化 如表 3 2 所示 1横彩条1 白黄青绿红蓝黑2 黑蓝红绿青黄百 2竖彩条1 白黄青绿红蓝黑2 黑蓝红绿青黄百 3棋盘格1 棋盘格显示模式一2 棋盘格显示模式二 表 3 2 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 7 3 2 3 程序流程图 在程序中定义两个计数器 分别进行行计数和场计数 在规定的行周期和 场周期下进行计数 当计数器值达到行同步信号和场同步信号规定值时就进行 行 场同步信号的输出 并控制其他信号的输出 如图 3 4 所示 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 8 图 3 4 4 系统仿真 通过 QuartusII 软件 我们进行了仿真 其仿真波形如下图 根据锁相环由 20MHz 时钟倍频得到 25MHz 时钟 由 25MHz 时钟驱动 color 显示控制模块波形仿真如下 由于仿真条件的限制 ka kb 即拨码开关拨动的频率比实际高的 无法完全模 拟实际 但是 从上图的波形中 我们仍能看出显示模式之间的转换 同时经 过细致的观察 hs 的周期大约为 32us 即满足行频 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 9 5 实验小结 通过本次设计 我知道光靠在课堂上所学的知识 我们无法真正的将所学 的各个科目的知识融会贯通 学以致用 思想也越来越迟缓 没有创新的思维和活 跃的思想 对我们学生来说 理论与实际同样重要 这是我们以后在工作中证 明自己能力的一个重要标准 通过了这次设计 我能更好的理解书本知识 相信 也能够更好的运用他它 在以后的学习和工作中 我们还会遇到许多类似的设 计 但有了这次的经验 我相信我们都会尽自己的力做得更好 我们在对EDA 这门技术上有了更深刻的认识 也从实践的例子中去感受到了EDA设计给我们 设计带来的改变与进步 我们不仅掌握QuartusII软件的使用 与此同时 我们 还对电子设计的思路有了更多的认识 通过对EDA设计中的TOP DOWN设计方 式的运用 体会到了对于一个大型系统的设计方案选取应从顶向下的设计思路 这与传统的至底向上的设计方式有很大改进 且设计效率得到大大提高 在设 计中 我深刻感受到了老师对学生的那种诲人不倦的精神 老师不断耐心地给 我们指导使我们少走弯路 顺利完成设计任务 本次课程设计中我收获很多 在老师们的辛勤指导下 我们小组同学积极 讨论和思考 完成本此课程设计 此次设计 使我们受益匪浅 在此我要感谢 信息学院提供这次课程设计的机会 通过本次设计使我们自身的动手能力得到 了很大的提高 使我们走出了实践的盲区 为以后的毕业设计及工作后的动手 打下了坚实的基础 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 10 参考文献 1 王行 EDA 技术入门与提高 西安 西安电子科技大学出版社 2005 5 2 谭会生 张昌凡 EDA 技术及应用 西安 西安电子科技大学 2006 12 3 郭勇 EDA 技术基础与应用 北京 机械工业出版社 2011 3 4 潘松 黄继业 EDA 技术实用教程 北京 科学出版社 2010 6 5 汉泽西 EDA 技术及其应用 北京 北京航空航天大学出版社 2004 5 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 11 程序清单 color vhd library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity VGA is port clk ka kb in std logic hs vs r g b out std logic end VGA architecture behav of VGA is signal hs1 vs1 cclk reset ra rb ka d kb d std logic signal mmd std logic vector 1 downto 0 signal cc std logic vector 9 downto 0 signal ll std logic vector 9 downto 0 signal grbx std logic vector 3 downto 1 signal grby std logic vector 3 downto 1 signal grbp std logic vector 3 downto 1 signal grb std logic vector 3 downto 1 begin grb 2 grbp 2 xor ka xor kb and hs1 and vs1 grb 3 grbp 3 xor ka xor kb and hs1 and vs1 grb 1 grbp 1 xor ka xor kb and hs1 and vs1 process ka kb begin if ka 0 then if kb 0 then mmd 00 else mmd 01 end if elsif kb 0 then mmd 10 else mmd 11 end if end process process mmd 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 12 begin if mmd 00 then grbp grbx elsif mmd 01 then grbp grby elsif mmd 10 then grbp grbx xor grby else grbp 000 end if end process process clk begin if clk event and clk 1 then ka d ka end if if ka d ka then ra 0 else ra 1 end if end process process clk begin if clk event and clk 1 then kb d kb end if if kb d kb then rb 0 else rb 1 end if end process process ra rb begin if rb 0 then if ra 0 then reset 0 else reset 1 end if else reset 1 end if end process process clk reset begin if reset 0 then if clk event and clk 1 then if cc 799 then cc 0000000000 else cc cc 1 end if end if 哈尔滨理工理工大学 VGA 彩条信号显示控制电路 13 else cc 0000000000 end if end process cclk cc 9 process cclk reset begin if reset 0 then if cclk event and cclk 0 then if ll 524 then ll 0000000000 else ll ll 1 end if end if else ll 0000000000 end if end process process cc ll begin if cc 96 then hs1 0 else hs1 1 end if if ll 2 then vs1 0 else vs1 1 end if end process process cc ll begin if cc 143 then grbx 000 elsif cc 223 then grbx
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