??? 摘 要： 介紹了XGA標準，設計了一種基于FPGA的XGA標準圖像實時控制器，它將PAL制式的電視信號轉換成XGA格式的信號。重點討論了圖像數據的結構轉換過程及控制器的內部結構。
??? 關鍵詞： XGA? FPGA? 雙端口" title="雙端口">雙端口RAM? 圖像轉換控制器
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??? 可編程邏輯器件FPGA由于具有開發簡單、靜態可重復編程和動態在系統編程的特點，已經成為當今應用最廣泛的可編程專用集成電路(ASIC)。而XGA(eXtended Grophics Adapter)顯示器因其輸出信息量大、輸出形式多樣等特點已經成為目前大多數設計的常用輸出設備，在FPGA的設計中可以使用很少的資源，就能產生XGA各種控制信號。
1 VGA原理和XGA標準
??? 計算機顯示器的顯示有許多標準，常見的有VGA、SVGA、XGA等。常見的彩色顯示器一般由陰極射線管（CRT）構成，彩色是由R、G、B三基色組成，用逐行掃描的方式進行圖像顯示" title="圖像顯示">圖像顯示。陰極射線槍發出電子束打在涂有熒光粉的熒光屏上，產生R、G、B三基色，合成一個彩色像素。掃描時從屏幕的左上方開始，從左到右、從上到下進行掃描。每掃完一行，電子束回到屏幕的左邊第一行的起始位置。在這期間，CRT對電子束進行消隱，每行結束時，用行同步信號" title="同步信號">同步信號進行行同步；掃描完所有行，用場同步信號進行場同步，并使行掃描回到屏幕的左上方，同時進行場消隱，預備下一場的掃描。對于普通的VGA(Video Graphics Adapter(Array)）顯示器，其引出線共有五種信號：三基色信號(R、G、B)；行同步信號(HS)；場同步信號(VS)。
??? 對于VGA顯示器的這五種信號的時序驅動要嚴格遵循“VGA工業標準”，本設計中采用1024×768@60Hz的XGA標準。圖1是XGA行掃描、場掃描的時序圖，表1、表2分別為行掃描、場掃描的時序要求。
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??? 設計XGA顯示控制主要注意兩個問題：一個是時序驅動，這是完成設計的關鍵，時序稍有偏差，顯示必然不正常，甚至會損壞彩色顯示器；另一個是XGA信號的電平驅動（XGA信號的驅動電平是模擬信號）。
2 控制器的設計
2.1 控制器原理
??? 本設計的數據源是PAL制式的電視信號，數據格式為YUV（4：2：2）格式。本設計以FPGA為平臺，將原始的電視信號數據轉換為RGB格式的視頻信號，并使圖像的分辨率由720×576提高到1024×768，達到XGA標準。設計可分為FIFO模塊、雙端口RAM控制模塊、圖像結構轉換模塊和色空間轉換模塊。設計選取的雙端口RAM必須能存儲兩幀以上圖像，以保證完成緩沖。當雙端口RAM從一端寫滿一幀圖像數據后，在寫滿下一幀數據前，開始從另一端讀取第一幀數據；第二幀寫滿后再讀取第二幀，直到第一幀的數據被第三幀數據完全覆蓋，不斷重復此過程。圖像結構轉換模塊和色空間轉換模塊將PAL制式（分辨率720×576，場頻50Hz，隔行掃描)的電視信號轉換為XGA(分辨率1024×768，幀頻60Hz，逐行掃描)標準的視頻信號。
2.2 硬件實現
??? 本設計中FPGA采用了Actel公司的APA150芯片。該FPGA芯片具有150 000個系統門，邏輯單元為6144個，內嵌36KB的雙端口SRAM的2個鎖相環PPL內核，最大支持242個用戶I/O(I/O電壓有3.3V和2.5V兩種可供選擇)，支持3.3V、32bit、50MHz的PCI總線，系統時鐘最高為32MHz。雙端口RAM采用賽普拉斯半導體公司(Cypress Semiconductor Corp.)的CYD18S72V雙端口RAM，該芯片容量為256K×72bit，其硬件框圖如圖2所示。
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2.3 雙端口RAM控制模塊
2.3.1 雙端口RAM簡介
??? 雙端口RAM作為一種特殊類型的RAM，在一些高速數據采集與處理系統中得到了廣泛應用。它具有兩個獨立的端口，各自均有一套相應的數據總線、地址總線和控制總線，允許兩個端口獨立、異步地對存儲器中的任何存儲單元進行存取操作。當兩個端口同時對存儲器中的同一單元進行存取操作時，可以由其內部仲裁邏輯決定優先權。
2.3.2 雙端口RAM的控制
??? 當兩個端口對雙端口RAM存取時，一般存在四種情況：(1)兩個端口同時對不同地址單元讀寫數據；(2)兩個端口同時對同一地址單元讀出數據；(3)兩個端口同時對同一地址單元寫入數據；(4)兩個端口同時讀寫同一地址單元，一個寫入數據，另一個讀出數據。
??? 在(1)、(2)兩種情況下，兩個端口的存取不會出現錯誤，(3)、(4)種情況時會出現競爭現象。為避免因競爭而導致的通信錯誤，可采取“BUSY”功能輸出或通過特殊的軟件處理方法來解決。在本設計中，雙端口RAM僅用來作為數據緩沖，一個端口輸入，另一個端口輸出，只要避免出現第四種情況即可。在實現時，將雙端口RAM分成兩個工作區，每個工作區可以存儲一幀的圖像數據。當輸入端口輸入的數據寫滿工作區1后，在寫滿工作區2前，通過程序控制輸出端口反復從工作區1中讀取數據；當工作區2寫滿后，在輸入端口的數據重新寫入工作區1、工作區1寫滿前，通過程序控制輸出端口反復從工作區2中讀取數據。多次重復上述過程，可以實現對圖像數據的無差錯存取。
??? 在存儲時，要將電視信號的一個奇場和一個偶場的行像素數據交錯存儲，這樣就實現了由隔行到逐行掃描的結構轉換。本設計中采用的雙端口RAM為256K×72bit的存儲器，而YUV數據格式為每個像素16bit數據，每行720個有效像素，每行像素占用160個地址，因此每幀圖像占92 160個地址。
2.4 時序產生器模塊
??? 視頻定時產生器產生正確顯示圖像所必需的同步信號——行同步信號、場同步信號。利用FPGA內部時鐘鎖相環倍頻后的65MHz的主時鐘，來產生符合XGA標準的視頻信號，其分辨率為1024×768、幀頻為60Hz。
????行同步過程的時間以像素節拍為單位進行測量，用一個計數器控制。計數器對輸出的像素進行計數，復位后從0開始，此時圖像顯示處于有效狀態；計到1024時，開始進入行消隱前肩狀態；計數到1048時，進入行同步狀態；計數到1148時，進入行消隱后肩狀態；計數到1343后，在下個像素節拍到來時計時器清零，重新進入圖像顯示有效狀態。
??? 場同步過程的時間以行節拍為單位進行測量，也用一個計數器控制。計數器對輸出的行進行計數，復位后從0開始，此時圖像顯示處于有效狀態；計數到768時，開始進入場消隱前肩狀態；計數到771時，進入場同步狀態；計數到777時，進入場消隱后肩狀態；計數到805后，在下個像素節拍到來時計時器清零，重新進入圖像顯示有效狀態。
2.5 FIFO模塊
??? FIFO1（先入先出）是深度為1024、寬度為16位的異步FIFO，寫時鐘為YUV信號的輸入時鐘PCLK，讀時鐘為時鐘發生器產生的主時鐘MCLK。當輸入的原始數據的行、場同步信號都有效時，該FIFO的寫使能有效；當寫地址計數器數到一半或計滿時，觸發讀使能信號，使讀使能信號在后面的360個讀時鐘周期內一直有效。由于讀時鐘頻率大于寫時鐘頻率，所以不會產生數據寫滿溢出的現象。
??? FIFO2、FIFO的設計與FIFO1類似，為深度為1024寬度為16位的異步FIFO，寫時鐘為主時鐘。FIFO2、FIFO3在主時鐘的同步下交替按行接收從雙端口RAM中讀出的數據，當快寫滿時停止從雙端口RAM中讀數據，同時FIFO的寫使能信號無效，讀使能信號有效。當快讀空時，觸發寫使能信號，繼續讀取數據。
2.6 圖像結構轉換模塊
??? 該模塊要完成分辨率的轉換，以及幀頻的轉換。
2.6.1 分辨率的轉換
??? 原始信號的分辨率為720×576，目標分辨率為1024×768。轉換的方案是：首先將原始信號做3：4的放大，使像素點數變為960×768，再將每行的兩側各補充32個0，這樣既達到了1024×768的分辨率要求，算法也比較簡單。考慮到一般只注意圖像中間部分，對四周不是很關心，因此，在放大圖像四周補0的做法不會影響圖像的效果。
??? 水平方向插值" title="插值">插值采用三次樣條插值，垂直方向插值采用相鄰兩行內插" title="內插">內插算法，內插函數采用bisigmoidal[5]函數：
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式中，a是調節曲線特性的常數，?駐y是函數輸入變量。采用臨近兩點y（n+1）和y（n）進行插值的公式如下：
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式中，K=h（Δy）。
??? 為了避免非線性插值系數給電路設計帶來的復雜性，將內插系數存儲于查找表中，根據內插點與臨近點的相對位置找到對應系數。
??? 分辨率轉換部分的框圖如圖3所示。
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??? 在插值時，首先將第一行數據輸入FIFO2，第二行輸入FIFO3，兩個FIFO交替將數據輸入垂直插值器，垂直插值器按行輸出垂直插值后形成的行數據，輸入到水平插值器。FIFO共輸入3行后，FIFO停止向垂直插值器一個節拍，垂直插值器將輸出4行像素數據；水平插值器每讀取3個像素數據時停止一個節拍，從而根據不同插值系數和臨近點數據插出4個值，從而完成3：4的放大。在輸出放大后的行數據時，在行的左端和右端各添加32個零點，這樣就完成了分辨率的轉換。
2.6.2 幀頻的轉換
??? PAL制式每秒奇偶共50場，經過雙端口RAM的存儲后整理為每秒25幀，要轉換為能夠滿足每秒60幀要求的視頻信號，最簡單的辦法就是復制幀。在本設計中，上一小節中轉換分辨率后的數據傳遞給色空間轉換模塊的同時，存入一個存儲器中，在下一幀數據處理完成前，將存儲器中的數據再次傳輸指定的次數，從而完成幀頻的轉換。幀頻比為5：12，所以每5幀做一次頻率放大，第一幀、第三幀傳輸3次，其余各幀傳輸2次。
2.7 色空間轉換模塊
??? 該模塊接收到的信號是YUV（4：2：2）格式的信號，是16位數據線，而要將它轉換成的RGB信號是24根數據線，就需要先將每個像素點上丟失的色差信號補回來，即16根數據線加寬到24根。格式轉換過程如圖4所示。
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??? 接下來要完成的是由YUV到RGB的色空間轉換，轉換公式如下[6]：
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??? 由此可得式(4)：
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??? 在計算時必須把它們都轉換成整數，所以在程序中利用位移寄存器，讓它們左移11位，計算后即可得到RGB數據。
??? 采用FPGA技術設計的VGA圖像控制器，大大減少了電路板的尺寸，充分應用了FPGA快速并行處理數據的特性（這是其他控制器所不可比擬的），在產生同步信號的同時送出像素數據，同時增加了系統的可靠性和設計靈活性。解決了嵌入式系統實時圖像顯示的問題，節約了成本，擴展了應用范圍。
參考文獻
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[2] 方湘艷，韓威.基于FPGA技術的異步雙端口RAM設計與實現.中國集成電路，2005，(1).
[3] 吳蓬勃，張啟民，王朝陽，等.基于FPGA的VGA圖像控制器設計.東北電力大學學報，2006，(8).
[4] 潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL.北京：清華大學出版社，2005.
[5] LEE J.Design of a scan format converter using the bisigmoidal interpolation[J].IEEE Trans Consumer Ilectronics，1998，44(3)：1115-1120.
[6] Xilinx Inc.Colour space conversion.XAPP637[Z]，2002.