1、引言
VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口在視頻和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA圖像信號(hào)發(fā)生器是電視臺(tái)、電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、電視維修人員常用的儀器，其主要功能就是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的圖像測(cè)試信號(hào)。
VGA圖像信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)涉及到圖像數(shù)據(jù)的處理，對(duì)電路的工作速度和性能要求較高，VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)鐘頻率高達(dá)25MHz,使用傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)方法是難以實(shí)現(xiàn)的。采用專用的視頻處理芯片，其設(shè)計(jì)技術(shù)難度大、開(kāi)發(fā)成本高。本文采用FPGA＋MCU方案，利用了Cyclone系列的FPGA高達(dá)上百兆的工作頻率特性為圖像數(shù)據(jù)處理提供了良好的實(shí)時(shí)性，其內(nèi)部集成的數(shù)字鎖相環(huán)為系統(tǒng)的工作時(shí)鐘提供的良好的穩(wěn)定性，其內(nèi)部嵌入的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)一定容量的圖像信息，豐富的I/O資源可以隨即擴(kuò)展外接大容量存儲(chǔ)器的特性，因此由 FPGA完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理及產(chǎn)生行場(chǎng)掃描時(shí)序信號(hào)。很好地實(shí)現(xiàn)了圖象數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，達(dá)到了性能與價(jià)格的完美統(tǒng)一。此外，F(xiàn)PGA的電路可重構(gòu)性，為系統(tǒng)功能更改和升級(jí)以及功能擴(kuò)展提供了很大的設(shè)計(jì)空間。由微控制器完成功能設(shè)置與控制，如鍵盤(pán)掃描，模式選擇與顯示控制等。
2、系統(tǒng)的工作原理和組成框圖
FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)其編程可輸出RGB三基色信號(hào)和HS 、VS行場(chǎng)掃描同步信號(hào)。當(dāng) FPGA接受單片機(jī)輸出的控制信號(hào)后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器模塊根據(jù)控制信號(hào)選通相應(yīng)的圖像生成模塊，輸出圖像信號(hào)，與行場(chǎng)掃描時(shí)序信號(hào)一起通過(guò)15針D型接口電路送入VGA顯示器，在VGA顯示器上便可以看到對(duì)應(yīng)的彩色圖像。FPGA所需的工作時(shí)鐘由外部高精度有源晶振提供；單片機(jī)控制器分析鍵盤(pán)掃描結(jié)果，控制液晶顯示模塊顯示相應(yīng)的功能，由LCD顯示輸出圖象和按鍵控制模式，并送出相應(yīng)控制信號(hào)給FPGA，系統(tǒng)原理框圖如圖1。
3、VGA顯示器原理
工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示模式為：640×468×16色×60Hz。常見(jiàn)的彩色顯示器，一般由CRT (陰極射線管)構(gòu)成，彩色是由R、G、B（紅、綠、藍(lán)）三基色組成，CRT用逐行掃描或隔行掃描的方式實(shí)現(xiàn)圖像顯示，由VGA控制模塊產(chǎn)生的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)控制陰極射線槍產(chǎn)生的電子束，打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生R、G、B三基色，合成一個(gè)彩色像素。掃描從屏幕的左上方開(kāi)始，由左至右，由上到下，逐行進(jìn)行掃描，每掃完一行，電子束回到屏幕下一行的起始位置，在回掃期間，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束是用行同步信號(hào)HS進(jìn)行行同步；掃描完所有行，再由場(chǎng)同步信號(hào)VS進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時(shí)進(jìn)行場(chǎng)消隱，預(yù)備下一場(chǎng)的掃描。行同步信號(hào)HS 和場(chǎng)同步信號(hào)VS是兩個(gè)重要的信號(hào)。顯示過(guò)程中，HS 和VS的極性可正可負(fù)，顯示器內(nèi)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為正極性邏輯。
行同步信號(hào)HS和場(chǎng)同步信號(hào)VS的時(shí)序圖如圖2所示， T1為行同步消隱（約為6μs）；T2為行顯示時(shí)間（約為26μs）；T3為場(chǎng)同步消隱（兩個(gè)行周期）；T4為場(chǎng)顯示時(shí)間（480個(gè)行周期）。
行同步信號(hào)HS和場(chǎng)同步信號(hào)VS與圖象信號(hào)R、G、B的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。
對(duì)于VGA 顯示器的上述五個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640×480×60HZ模式，否則無(wú)法顯示正確地圖象。
VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率：
時(shí)鐘頻率：25.175MHz(像素輸出的頻率)
行頻： 31469Hz
場(chǎng)頻： 59.94Hz（每秒圖像刷新頻率）
圖象信號(hào)顯示的顏色種類與表示R、G、B三基色的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)有關(guān)，表1列出了8種顏色的編碼方式。
4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 圖像信號(hào)產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)
產(chǎn)生圖像信號(hào)的核心器件采用Altera公司的Cyclone FPGA芯片EP1C3T144C8N。它具有多達(dá)20060個(gè)邏輯單元。最大用戶I/O數(shù) 104個(gè)。器件中M4K存儲(chǔ)塊提供288kbit存儲(chǔ)容量，能夠被配置來(lái)支持多種操作模式，包括RAM、ROM、FIFO及單口和雙口模式。
Cyclone器件具有高級(jí)外部存儲(chǔ)器接口，允許設(shè)計(jì)者將外部單數(shù)據(jù)率（SDR）SDRAM，雙數(shù)據(jù)率（DDR）、SDRAM和 DDR FCRAM 器件集成到復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不會(huì)降低數(shù)據(jù)訪問(wèn)的性能。并且還具有兩個(gè)可編程鎖相環(huán)（PLL）和八個(gè)全局時(shí)鐘線，能提供時(shí)鐘管理和頻率合成，實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)功能。根據(jù)VGA顯示原理，圖象信號(hào)產(chǎn)生器的主要功能是：產(chǎn)生時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)HS、VS及VGA彩色圖象編碼信號(hào)，同時(shí)在正確的時(shí)序控制下，輸出ROM中的象素?cái)?shù)據(jù)至顯示器的VGA接口，進(jìn)行圖象顯示。FPGA內(nèi)部電路原理結(jié)構(gòu)如圖4。本文利用Altera公司QuartusⅡ6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)，遵循自頂向下的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)各功能模塊，采用VHDL語(yǔ)言對(duì)FPGA器件編程，產(chǎn)生HS和VS掃描時(shí)序信號(hào)及各種圖象信號(hào)。
VGA時(shí)序信號(hào)是圖象顯示的關(guān)鍵，行場(chǎng)掃描時(shí)序的產(chǎn)生，是利用邏輯編程的方法實(shí)現(xiàn)的，即用VHDL編寫(xiě)分頻器，計(jì)時(shí)器模塊，來(lái)獲得T1、T2、T3、T4時(shí)序。當(dāng)輸出數(shù)字、彩條信號(hào)和棋盤(pán)格圖象時(shí)，由外部12M有源晶振提供時(shí)鐘輸入，其中行頻HS：12MHZ ÷13÷29=31830Hz、場(chǎng)頻VS：31830Hz÷480×0.93=61.67Hz、T1=1/31830Hz×4/29=25.96us、T2=1/31830Hz×5/29=6.04us、T3為兩個(gè)行周期(T1+T2)，T4為480個(gè)行周期。
圖象信號(hào)包括數(shù)字、彩條、棋盤(pán)格，和ROM中定制的圖形等。數(shù)字信號(hào)和彩條信號(hào)的產(chǎn)生是按行場(chǎng)方向?qū)⑵聊桓鬟M(jìn)行8等分，相當(dāng)于一個(gè)8×8的點(diǎn)陣，在對(duì)應(yīng)位置顯示相應(yīng)顏色即可獲得所需圖像信號(hào)；棋盤(pán)格信號(hào)是將橫彩條和豎彩條相異或獲得。ROM中定制的較為復(fù)雜的彩色圖像，需采用像素點(diǎn)輸出，即將圖像各像素點(diǎn)的信息存儲(chǔ)于ROM中，再以一定的頻率輸出。FPGA器件ROM的定制有兩種方法：第一種方法是利用FPGA器件的嵌入式存儲(chǔ)器定制LPM_ROM,用.MIF文件或.HEX文件對(duì)其進(jìn)行初始化，這種方法獲得的ROM最大尋址空間為2 12，可以存儲(chǔ)一幅分辨率為64×64的圖像信息；第二種方法是在FPGA邏輯資源的限度內(nèi)用VHDL語(yǔ)言定制一個(gè)ROM，采用CASE語(yǔ)句對(duì)其進(jìn)行初始化，這種方法獲得的ROM在存儲(chǔ)深度較大時(shí)，編譯時(shí)對(duì)時(shí)間的開(kāi)銷較大。ROM初始化完成后，在25MHz的時(shí)鐘頻率下輸出存儲(chǔ)的圖像信息。其圖象顏色種類的多少取決于存儲(chǔ)空間的大小。
ROM定制的圖象信息是利用FPGA嵌入的存儲(chǔ)器定制LPM_ROM,可以用于存儲(chǔ)一幅64×64分辨率的圖像信息，數(shù)據(jù)線寬為3位，地址線12根，采用組合尋址方式，即行地址HSADDRESS占低6位，場(chǎng)地址VSADDRESS占高6位；若要顯示更為復(fù)雜的圖象信息，只需擴(kuò)展存儲(chǔ)器及尋址的數(shù)據(jù)線寬度，為了保證行地址信號(hào)輸出與行掃描信號(hào)輸出同步，場(chǎng)地址信號(hào)輸出與場(chǎng)掃描信號(hào)輸出同步，在VHDL編程時(shí)，可用25MHz時(shí)鐘作為進(jìn)程的啟動(dòng)信號(hào)。輸出信號(hào)的時(shí)序波形如圖6所示。各種圖象信號(hào)的輸出是由數(shù)據(jù)選擇器通過(guò)VHDL編程實(shí)現(xiàn)的。
4.2 視頻輸出接口電路部分設(shè)計(jì)
VGA 接口采用非對(duì)稱分布的15pin 連接方式，其工作原理是將顯存內(nèi)以數(shù)字格式存儲(chǔ)的圖像( 幀) 信號(hào)在RAMDAC 里經(jīng)過(guò)模擬調(diào)制成模擬高頻信號(hào)，然后進(jìn)行輸出顯示，這樣VGA信號(hào)就不必像其它視頻信號(hào)那樣還要經(jīng)過(guò)矩陣解碼電路的換算。從視頻成像原理可知VGA的視頻傳輸過(guò)程是最短的，所以VGA 接口擁有許多的優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)串?dāng)_、無(wú)電路合成分離損耗等。視頻輸出與VGA 接口如圖7。
4.3 模式控制與顯示部分設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，模式控制與顯示即人機(jī)接口的設(shè)計(jì)，選用LCD顯示器和矩陣鍵盤(pán)，使接口和顯示更加友好。要求能根據(jù)鍵盤(pán)掃描結(jié)果，控制不同的圖象信號(hào)輸出，并進(jìn)行相應(yīng)的功能顯示。采用單片機(jī)89S51作為控制器，對(duì)鍵盤(pán)模塊和功能顯示模塊進(jìn)行控制。用C語(yǔ)言編程，對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描和液晶顯示模塊的控制。當(dāng)然也可以對(duì)FPGA器件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)模塊和功能顯示模塊的控制。但需占用FPGA器件的邏輯資源，會(huì)對(duì)定制圖像信息的存儲(chǔ)空間造成影響。
本設(shè)計(jì)采用4×4矩陣式鍵盤(pán)，行、列線占用單片機(jī)8個(gè)I/O口資源，鍵盤(pán)掃描過(guò)程是列掃描行輸出，逐列掃描，讀取鍵值，根據(jù)讀回的值判斷所按鍵的位置，按鍵消抖采用延時(shí)消抖方式，根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)功能程序。顯示器采用TS-12864-3液晶顯示屏，由單片機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)，顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)等信息。
5、結(jié)束語(yǔ)
隨著數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其實(shí)時(shí)處理技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)的迅猛發(fā)展為數(shù)字圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)提供了硬件基礎(chǔ)。其中FPGA的特點(diǎn)使其非常適用于進(jìn)行一些基于像素級(jí)的圖像處理。 本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的數(shù)字圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字、文字、彩條、ROM圖像信號(hào)輸出。其圖像顯示控制器的系統(tǒng)處理耗時(shí)小于20ms，完全達(dá)到了實(shí)時(shí)要求(50場(chǎng)/秒)。所進(jìn)行的原理試驗(yàn)取得了良好的效果。
本系統(tǒng)可以作為顯示器測(cè)試信號(hào)發(fā)生器，適用于顯示器生產(chǎn)廠或者維修人員 、計(jì)算機(jī)房、以及單位用戶、甚至個(gè)人用戶，進(jìn)行無(wú)需連接主機(jī)的畫(huà)面演示、測(cè)試、檢查，和維修后調(diào)試，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的觀察和分析，能夠判斷顯示器的總體性能或維修后效果。
本設(shè)計(jì)還可以作一些擴(kuò)展，如添加語(yǔ)音處理電路，實(shí)現(xiàn)圖像輸出時(shí)同步輸出語(yǔ)音；還可以外接大容量存儲(chǔ)器，采用8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示R、G、B三基色，實(shí)現(xiàn)256色輸出，使顯示的圖像色彩更加豐富。