基于GW48系统SOPC实验箱利用FPGA(现场可编程门阵列)设计VGA接口

1、电子设计自动化课程设计报告 学生姓名： 学 号： 学 院：信息科学与工程学院 专 业：电子科学与技术专业年 级：08级 指导教师： 日 期： 2011年8月31日 摘要：vga（视频图形阵列）作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。本设计是基于gw48系统sopc实验箱，依据vga显示的原理，“抛弃”vga显示专用芯片，利用fpga(现场可编程门阵列)设计vga接口对于更深入学习接口技术有很大的帮助，同时可以将要显示的数据直接送到显示器上显示，省去了计算机的处理过程，能加快数据的处理速度和节约硬件成本。关键词：fpga,vga, 显示接口 电子设计自动化课程设计报告一、 fpga的原理cpld、

2、fpga是在pal、gal等基础上发展起来的一种具有丰富的可编程i/o引脚、逻辑宏单元、门电路以及ram空间的可编程逻辑器件，几乎所有应用门阵列、pld和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用fpga和cpld器件。cpld的设计是基于乘积项选择矩阵来实现的，而fpga基于查找表来设计的。查找表就是实现将输入信号的各种组合功能以一定的次序写入ram中，然后在输入信号的作用下，输出特定的函数运算结果。其结构图如图1所示：图1. fpga查找表单元 一个n输入查找表 (lut，look up table)可以实现n个输入变量的任何逻辑功能，如 n输入“与”、 n输入“异或”等。 输入多于n个的函数

3、、方程必须分开用几个查找表（ lut）实现（如图2所示）。图2 fpga查找表单元内部结构该系统设计中，fpga芯片用的是altera公司的ep1k30qc208-2，它的系统结构如图3所示。它由若干个逻辑单元和中央布线池加i/o端口构成图3 ep1k30qc208内部结构二、vga接口vga的全称为video graphic array，即显示绘图阵列。在pc行业发展的初期，vga以其支持在640x480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320x240分辨率下可以同时显示256种颜色的良好特性得到广泛支持。后来，厂商们纷纷在vga基础上加以扩充，如将显存提高至1m并使其支

4、持更高分辨率如800x600或1024x768，这些扩充的模式就称之为vesa(video electronics standards association，视频电子标准协会)的super vga模式，简称svga，现在的显卡和显示器都支持svga模式。图4 vga接口vga接口就是显卡上输出模拟信号的接口，也叫d-sub接口。vga接口是一种d型接口，上面共有15针空，分成三排，每排五个。vga接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口。表1 vga管脚定义管脚定义1红基色 red 2绿基色 green 3蓝基色 blue4地址码 id bit5自测试 (各家定义不同

5、)6红地7绿地8蓝地9保留(各家定义不同)10数字地11地址码12地址码13行同步14场同步15地址码 (各家定义不同)通过模拟vga接口和计算机连接的显示器的工作原理，是计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为r、g、b三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟crt显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于lcd、dlp等数字显示设备，显示设备中需配置相应的a/d(模拟/数字)转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过d/a和a/d2次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。vga接口应用于

6、crt显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。crt显示器因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，也就是我们为什么在crt显示器上只看到vga接口的原因。三、vga显示接口原理计算机显示器的显示有许多标准，常见的有vga、svga等。本系统采用fpga来实现图像显示控制器，这在产品开发设计中有许多实际应用。常见的彩色显示器，一般由crt（阴极射线管）构成，彩色是由g、r、b（绿：green，红：red，蓝：blue）三基色组成。显示是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三基色，合成一个彩色像素。扫描从

7、屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下，进行扫描，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，预备下一场的扫描。对于普通的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，对于vga显示器要严格遵循“vga工业标准”，即64048060hz模式。通常我们用的显示器都满足工业标准，因此我们设计vga控制器时要参考显示器的技术规格。图5是vga行扫描、场扫描的时序图：图5 vg

8、a行扫描、场扫描时序图表2 vga参考时序设计vga工业标准所要求的频率：时钟频率（clock frequency）：25.175mhz（像素输出的频率）；行频（line frequency）：31469hz；场频（field frequency）：59.94hz（每秒图像刷新频率）。四、fpga的设计实现设计vga图像显示控制需要注意两个问题：一个是时序的驱动，这是完成设计的关键，时序稍有偏差，显示必然不正常，甚至会损坏彩色显示器；另一个是vga信号的电平驱动。显示控制器设计提示：显示器的技术规格提供的行频一般都满足在30-45khz（保守数据），场频一般满足在50-75hz（保守数据），针

9、对以上保守数据，我们以30khz的行频进行扫描时所需时钟频率为：30khz800（行周期）=24mhz,则场频为：30khz525（场周期）=57.14hz，针对实验箱的条件，可以用12mhz的信号经过倍频（ep1k30qc208-2芯片特有的功能，在maxplusii软件中调用参数可设置兆功能元件库mega_lpm的clklock元件来倍频）来产生24mhz的时钟频率，参考设计的顶层文件如下图所示：图5.vga接口实现顶视图vgacore模块包含了扫描时序产生模块、图像描述模块。时序产生模块的设计可参考图5所示来设计，图像描述模块主要通过640480个像素点来描述图像。如本项设计的彩条信号发

10、生器可通过图像描述模块产生如下表所示的3种显示模式，共6种显示变化的图像。表3 vga图形编码1行彩条1：白黄青绿品红蓝黑2：黑蓝红品绿青黄白2竖彩条1：白黄青绿品红蓝黑2：黑蓝红品绿青黄白3棋盘格1：棋盘格显示模式12：棋盘格显示模式2上表颜色对应的编码为：表4 vga颜色编码颜 色黑蓝红品绿青黄白g00001111r00110011b01010101在设计完彩条信号发生器的基础上很容易完成汉字/图像的设计。由于本设计是对视频数据进行处理，用普通的设计方法（不使用专用芯片），在单芯片上实现是不可思议的，而在此用fpga设计，轻松地达到了面积和速度上的要求。五、程序及仿真（一）、管脚分配本设计

11、采用主板上的vga接口实验模式：模式5时钟及控制clk-pin_29 clock9 实验要求采用12m的时钟rst-pin_240 键8，低电平有效，作为使能信号md -pin_233 键1，模式选择信号，共有6种模式显示器输出r -pin_180 pio29g -pin_181 pio30b -pin_182 pio31hs -pin_183 pio32vs -pin_185 pio34（二）、彩条发生器程序实现及仿真1、主程序module zui(clk_25m,rst_n,/系统控制hsync,vsync,vga_rgb,md/ vga控制);input clk_25m;/ 25mhzi

12、nput rst_n;/低电平复位input md;/ fpga与vga接口信号output hsync;/行同步信号output vsync;/场同步信号output2:0 vga_rgb;/-/ 坐标计数reg9:0 x_cnt;/行坐标reg9:0 y_cnt;/列坐标always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) x_cnt = 10d0;else if(x_cnt = 10d799) x_cnt = 10d0;else x_cnt = x_cnt+1b1;always (posedge clk_25m or negedge rs

13、t_n)if(!rst_n) y_cnt = 10d0;else if(y_cnt = 10d524) y_cnt = 10d0;else if(x_cnt = 10d799) y_cnt = y_cnt+1b1;/-/ vga场同步,行同步信号reg hsync_r,vsync_r;/同步信号 always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) hsync_r = 1b1;else if(x_cnt = 10d0) hsync_r = 1b0;/产生hsync信号else if(x_cnt = 10d96) hsync_r = 1b1;al

14、ways (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) vsync_r = 1b1; else if(y_cnt = 10d0) vsync_r = 1b0;/产生vsync信号else if(y_cnt = 10d2) vsync_r = 1b1;assign hsync = hsync_r;assign vsync = vsync_r;/-/有效显示标志位产生reg valid_yr;/行显示有效信号always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) valid_yr = 1b0;else if

15、(y_cnt = 10d32) valid_yr = 1b1;else if(y_cnt = 10d512) valid_yr = 1b0;wire valid_y = valid_yr;reg valid_r;/ vga有效显示区标志位always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) valid_r = 1b0;else if(x_cnt = 10d141) & valid_y) valid_r = 1b1;else if(x_cnt = 10d781) & valid_y) valid_r = 1b0;wire valid = vali

16、d_r;wire9:0 x_dis;/横坐标显示有效区域相对坐标值0-639wire9:0 y_dis;/竖坐标显示有效区域相对坐标值0-479assign x_dis = x_cnt - 10d142;assign y_dis = y_cnt - 10d33;/-/-reg2:0 cnt;always (posedge md or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cnt = 3d0;else if(cnt=3d5)cnt=3d0;elsecnt=cnt+3d1;end/- / vga色彩信号产生/*rgb = 000 黑色rgb = 100红色= 001 蓝色=

17、101紫色= 010绿色= 110黄色= 011青色= 111白色*/-reg2:0 vga_rgb;always( posedge clk_25m)beginif(!valid) vga_rgb = 10d0 & x_dis 10d80) vga_rgb = 10d80 & x_dis 10d160) vga_rgb = 10d160 & x_dis 10d240) vga_rgb = 10d240 & x_dis 10d320) vga_rgb = 10d320 & x_dis 10d400) vga_rgb = 10d400 & x_dis 10d480) vga_rgb = 10d48

18、0 & x_dis 10d560) vga_rgb = 10d560 & x_dis 10d640) vga_rgb = 10d0 & x_dis 10d80) vga_rgb = 10d80 & x_dis 10d160) vga_rgb = 10d160 & x_dis 10d240) vga_rgb = 10d240 & x_dis 10d320) vga_rgb = 10d320 & x_dis 10d400) vga_rgb = 10d400 & x_dis 10d480) vga_rgb = 10d480 & x_dis 10d560) vga_rgb = 10d560 & x_d

19、is 10d640) vga_rgb = 10d0 & y_dis 10d60) vga_rgb = 10d60 & y_dis 10d120) vga_rgb = 10d120 & y_dis 10d180) vga_rgb = 10d180 & y_dis 10d240) vga_rgb = 10d240 & y_dis 10d300) vga_rgb = 10d300 & y_dis 10d360) vga_rgb = 10d360 & y_dis 10d420) vga_rgb = 10d420 & y_dis 10d480) vga_rgb = 10d0 & y_dis 10d60)

20、 vga_rgb = 10d60 & y_dis 10d120) vga_rgb = 10d120 & y_dis 10d180) vga_rgb = 10d180 & y_dis 10d240) vga_rgb = 10d240 & y_dis 10d300) vga_rgb = 10d300 & y_dis 10d360) vga_rgb = 10d360 & y_dis 10d420) vga_rgb = 10d420 & y_dis 10d480) vga_rgb = 10d0 & y_dis 10d60) vga_rgb = 10d60 & y_dis 10d120) vga_rgb

21、 = 10d120 & y_dis 10d180) vga_rgb = 10d180 & y_dis 10d240) vga_rgb = 10d240 & y_dis 10d300) vga_rgb = 10d300 & y_dis 10d360) vga_rgb = 10d360 & y_dis 10d420) vga_rgb = 10d420 & y_dis 10d480) vga_rgb = 3d7; end 10d80,10d160,10d240,10d320,10d400,10d480,10d560,10d640: vga_rgb = 10d0 & y_dis 10d60) vga_

22、rgb = 10d60 & y_dis 10d120) vga_rgb = 10d120 & y_dis 10d180) vga_rgb = 10d180 & y_dis 10d240) vga_rgb = 10d240 & y_dis 10d300) vga_rgb = 10d300 & y_dis 10d360) vga_rgb = 10d360 & y_dis 10d420) vga_rgb = 10d420 & y_dis 10d480) vga_rgb = 3d0; end 10d80,10d160,10d240,10d320,10d400,10d480,10d560,10d640:

23、 vga_rgb = vga_rgb+3d1;/每80个横坐标像素点后显示色彩数据增1变化 default: ; endcaseendendend endmodule2、验证程序3、仿真波形（三）、字符显示程序及仿真1、主程序timescale 1ns / 1psmodule vga_char(clk_25m,rst_n,/系统控制hsync,vsync,vga_rgb/ vga控制);input clk_25m;/ 25mhzinput rst_n;/低电平复位/ fpga与vga接口信号output hsync;/行同步信号output vsync;/场同步信号output2:0 vga_

24、rgb;/-/ 坐标计数reg9:0 x_cnt;/行坐标reg9:0 y_cnt;/列坐标always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) x_cnt = 10d0;else if(x_cnt = 10d799) x_cnt = 10d0;else x_cnt = x_cnt+1b1;always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) y_cnt = 10d0;else if(y_cnt = 10d524) y_cnt = 10d0;else if(x_cnt = 10d799) y_c

25、nt = y_cnt+1b1;/-/ vga场同步,行同步信号reg hsync_r,vsync_r;/同步信号 always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) hsync_r = 1b1;else if(x_cnt = 10d0) hsync_r = 1b0;/产生hsync信号else if(x_cnt = 10d96) hsync_r = 1b1;always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) vsync_r = 1b1; else if(y_cnt = 10d0) vsync

26、_r = 1b0;/产生vsync信号else if(y_cnt = 10d2) vsync_r = 1b1;assign hsync = hsync_r;assign vsync = vsync_r;/-/有效显示标志位产生reg valid_yr;/行显示有效信号always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) valid_yr = 1b0;else if(y_cnt = 10d32) valid_yr = 1b1;else if(y_cnt = 10d512) valid_yr = 1b0;wire valid_y = valid_y

27、r;reg valid_r;/ vga有效显示区标志位always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) valid_r = 1b0;else if(x_cnt = 10d141) & valid_y) valid_r = 1b1;else if(x_cnt = 10d781) & valid_y) valid_r = 1b0;wire valid = valid_r;/wire9:0 x_dis;/横坐标显示有效区域相对坐标值0-639wire9:0 y_dis;/竖坐标显示有效区域相对坐标值0-479/assign x_dis = x_c

28、nt - 10d142;assign y_dis = y_cnt - 10d33;/-/- / vga色彩信号产生/*rgb = 000 黑色rgb = 100红色= 001 蓝色= 101紫色= 010绿色= 110黄色= 011青色= 111白色*/*edn字模参数*/parameter char_line0=24h000000, char_line1=24h000000, char_line2=24h000000, char_line3=24he77cfe, char_line4=24h421092, char_line5=24h421010, char_line6=24h421010,

29、 char_line7=24h421010, char_line8=24h7e1010, char_line9=24h421010, char_linea=24h421010, char_lineb=24h421010, char_linec=24h421010, char_lined=24he77c38, char_linee=24h000000, char_linef=24h000000;reg4:0 char_bit;/显示位计算always (posedge clk_25m or negedge rst_n)if(!rst_n) char_bit = 5h1f;else if(x_cn

30、t = 10d442) char_bit 10d442 & x_cnt 10d466) char_bit = char_bit-1b1;/依次显示后面的数据reg2:0 vga_rgb;/ vga色彩显示寄存器always (posedge clk_25m)if(!valid) vga_rgb 10d442 & x_cnt 10d467) begincase(y_dis)10d231: if(char_line0char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d232: if(char_line1char_bit) vga_rgb

31、 = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d233: if(char_line2char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d234: if(char_line3char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d235: if(char_line4char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d236: if(char_line5char_bit) vga_rgb

32、 = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d237: if(char_line6char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d238: if(char_line7char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d239: if(char_line8char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b010;/绿色10d240: if(char_line9char_bit) vga_rgb = 3b100;/红色 else vga_rgb = 3b