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1、基于FPGA/CPLD 的嵌入式VGA显示系统VGA（视频图形阵列 Video Graphics Array） 是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到 了广泛的应用。目前VGA技术的应用还主要基于 VGA显示卡的，而在一些既要求显示彩色高分辨率图像 又不使用计算机的设备上，VGA技术的应用却很少。本文对基于 FPGA/CPLD 的嵌入式VGA显示的实现方法进行了研究。基于FPGA/CPLD 的嵌入式VGA显示系统，可以在不使用 VGA显示卡的情况下实现 VGA图像的显示和控制。该系统具有成本低、结构简单、应用灵
2、活的优点。1基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA显示系统简介通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频 BIOS程序三个部分组成。 其控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作等功能；显示缓冲区提供显示数据缓存空间； 视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的ROM 中。在基于FPGA/CPLD 的嵌入式 VGA显示系统的设计中，可以使用很少的资源，就产生VGA各种控制信号，达到显示彩色高分辨率图像的要求，而不需用 VGA显示卡和计算机设备。图1是基于FPGA/CPLD 的嵌入式VGA显示系统的结构框图，图中FPGA采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672
3、C这款FPGA.Cyclone II器件采用90nm、低K值电介质工艺，通过使硅片 面积最小化，可以在单芯片上支持复杂的数字系统。EP2C35F672C该芯片提供了 33216个逻辑单元，包括了嵌入式18*18位乘法器、专用外部存储器接口电路、4KB嵌入式存储器件、4个锁相环和高速差分I/O等功能。该芯片的工作频率和引脚 IO等资源都能很好的 满足本系统的要求.FPGA的工作时钟为54MHz 。VGA接口芯片采用了 ADV7125，该芯片是美国 ADI公司生产的高速视频数模转换芯片，其像素扫描时钟频率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz 四个等级。ADV7125在 单芯
4、片上整合了三组 8位高速D/A转换器，可以分别处理红、绿、蓝视频数据，特别适 用于高分辨率模拟接口的显示终端和要求高速D/ A转换的应用系统。ADV7125的输入及控制信号非常简单：3组8位的数字视频数据输入端，分别对应RGB视频数据，数据输入端采用标准TTL电平接口； 4条视频控制信号线包括复合同步信号SYNC、消隐信号BLANK、白电平参考信号 REF WHITE 和像素时钟信号 CLOCK ;外接一个1.23 V数模 转换参考电压源和 1个输出满度调节。只有4条输出信号线：模拟 RGB信号采用高阻电流源输出方式，可以直接驱动75 ?同轴传输线。2模块划分与模块功能定义FPGA中包含了四个
5、工作模块：VGA时序发生器模块、VGA图像显示调色板模块、 数据存储器和数据读写控制器。由于 ADV7125内部没有颜色的转换器，所以当数据存储器中的数 据为YUV信号时，就要把 YUV信号转换成RGB信号,这一功能就是由VGA图像显示调 色板模块完成的，当显示数据为RGB信号时，数据可以直接传输到 ADV7125，不需调色板进行颜色转换。数据存储器和数据读写控制器解决了显示数据的来源和数据的存储。用FPGA对图像进行存储和整理， 并产生驱动电路需要的各种控制波形由视频控制器对颜色缓 冲器进行扫描，其中视频控制器可以读取像素颜色，用这些颜色来控制输出设备的亮度。VGA时序发生器模块产生显示器所
6、需的时序，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。3、VGA时序分析显示器采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在CRT （阴极射线管）屏幕上从左到右(受水平同步信号 HSYNC控制)、从上到下(受垂直同步信号VSYNC控制)做有规律的移动。光栅扫描又分逐行扫描和隔行扫描。隔行扫描指电子束在扫描时每隔一行扫一线， 完成一屏后再返回来扫描剩下的线，与电视机的原理一样。隔行扫描的显示器扫描闪烁的比较厉害，会让使用者的眼睛疲劳。目前微机所用显示器几乎都是逐行扫描。逐行扫描是指扫描从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点进行扫描，每扫描完一行，电子束回到屏幕的左边 下一行的起
7、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；当扫描完所有行，形成一帧时，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左 上方，同时进行行场消隐，开始下一帧的扫描。完成一行扫描所需时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧(整屏)扫描所需 的时间称为垂直扫描时间，其倒数为垂直扫描频率，又称刷新频率，即刷新一屏的频率。常 见的有60Hz、75Hz等。VGA显示器要正确显示图像关键还是如何实现VGA时序。视频电子标准协会( VESA,Video Electronics Standards Association)对显示器时序进行了规范。VGA的标准参考显示时序如
8、图2、图3所示。行时序和场时序都需要产生同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Backporch b)、显示时序段(Display interval c) 和显示前沿 (Front porch d) 四个部分。VGA 工业标准显示模式要求：行同步、场同步都为负极性，即同步头脉冲要求是负脉冲。VGA的行时序如图2所示：每一行都有一个负极性行同步脉冲(Sync a)，是数据行的结束标志，同时也是下一行的开始标志。在同步脉冲之后为显示后沿(Back porch b)，在显示时序段(Display interval c )显示器为亮的过程，RGB数据驱动一行上的每一个象素点，从 而显示一行。在一行的最后
9、为显示后沿 (Back porch b)。在显示时序段(Display interval c ) 之外没有图像投射到屏幕时插入消隐信号。同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)和显示前沿(Front porch d)都是在行消隐间隔内(Horizontal Blanking Interval)，当行消隐有效时，RGB信号无效，屏幕不显示数据。 *: : 4 J b .| .r 1- HH匸1111-II* 亠2： VGA的行时序VGA的场时序与VGA的行时序基本一样，如图3所示，每一帧的负极性帧同步脉冲 (Sync a)是一帧的结束标志，同时也是下一帧的开始标志。而显示
10、数据是一帧的所有行数据。-4 I|,| Ip lift 属4b-I剤3： VGA的场川序几种常用的时序参数如表1和表2所示，首先，根据显示器的性能选择一种合适的VGA模式，然后由象素时钟频率和图像分辨率计算出行总周期数，再把表1和表2中给出的a、b、c、d各时序段的时间按照象素计数脉冲源频率折算成时钟周期数。在FPGA/CPLD中用计数器和触发器，以计算出的各时序段时钟周期数为基准，产生不同宽度和周期的脉冲信号，再利用它们的逻辑组合构成图2和图3中的a、b、c、d各时序段以及 ADV7125的空白信号BLANK 和同步信号SYNC 。一个示例就是 60Hz时1280 X 1024分辨率显示的
11、VESA标准，在60Hz时，屏幕每16.67毫秒更新一次。这个标准制定了帧大小，用它来定义分辨率和回扫次数之间的关系。对于分辨率大小为 1280 X 1024来说，帧的大小为1688 X 1066 ,这个大小与像素时钟 (Pixel Clock )有关，所谓像素时钟就是对像素的刷新频率。像素时钟为1688 X 1066 X 60Hz或者108兆Hz ( MHz )时，每个像素的刷新频率也就是大约9.26纳秒，那么行频就为60 X 1066=63960行/秒，也就是用显示器的帧率乘以扫描线数量。可以用帧大小得到纵向回扫次数，为了得到纵向同步长度(Sync Length ),可以从纵向帧大小减去纵
12、向分辨率，也就是10661024 = 42。这样，纵向回扫花费的时间和在屏幕上绘出42条线的时间相同，对于纵向回扫来说需要的时间为 42 X 1688X 9.26纳秒(656微秒)。在显示时序段(Display in terval c )，数据读写控制器从数据缓存区读取像素颜色，用这 些颜色来控制输出设备(显示器)的亮度。一帧图像就准确的显示到VGA显示器上。表1: VGA行时序说明VGA百库灼式存时序配胃(us)b(us)d(U5)VGA(60HziS.E1.925.40.625SW*600322 22014(XS00.c)SVGA75Hz)500*600163.21620349S00/c)
13、P 800*600112.114.206?6(SOO/c)XGA60Hzi1024*7682.515 0465(10240XGA(0Hz i1024*768LB1JB.703XGA(fi5Hz)1024*7681.02.210.S0j595(XGAOHzl1280*10241.02.3H 9041OS1?SO c)rGA岸忖嫌配我叮堤4a(lwes)bflnies)crimes?ddmes)VGA(60Hz)640*4803.S2540.6VGA(S5Hz640*4801.6s17.816SVGArSOHz)300*60032201SXTGA?Hz)$00*6001.6力16203SVGA(8
14、Hzi500*6001.12.714.2 0.6XGA(60Hz)1G24T76S2.12.515.80.4XGAl70Hz)1024*7fig1.81.9B.703XGAfS5Hz1024*7681.0丨210.S0.5XGAi 50Hz1250*10241.023H.9044、VGA显示器在雷达图像显示中的应用最初，雷达显示器到重要作用，在于使雷达接收机到数据以一种可视的形式表现出来操作员可以轻易而精确地检测目标的出现 ，提取目标的位置信息随着数字信号处理和数字数据处理 的进步，越来越多的检测和信息提取过用电子方法自动完成，因此操作员的任务越来越少现在雷达显示器更像电视监视器或计算机显示器，可以显示完整的连续场景雷达获取的信息是径向圆扫描方式属极坐标方式，所以早期船用雷达显示器是一种平面位置显示器，用极坐标表示，采用径向圆扫描方式，在这种扫描方式中，荧光屏上扫描线线径向扫描 的数率取决于量程的大小扫描线选转的速度取决于天线的转速物标回波的亮度取决于回波视频的信号
