基于FPGA的VGA时序彩条信号实现

0 引 言
利用现场可编程逻辑器件产生VGA时序信号和彩条图像信号，并将其作为信号源，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。计算机显示器的显示有许多标准，常见的有VGA，SVGA等。在这里尝试用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CRT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。

1 VGA显示原理
VGA(Video Graphics Array)作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用。VGA在任何时刻都必须工作在某一显示模式下，其显示模式分为字符显示模式和图形显示模式，而在应用中讨论的都是图形显示模式。
VGA的图形模式分为三类：CGA，EGA兼容的图形模式；标准VGA图形模式；VGA扩展图形模式，后两种图形模式统称为VGA图形模式。文中基于标准VGA模式来实现。工业标准的VGA显示模式为：640×480×16×60。
常见的彩色显示器一般由阴极射线管(CRT)构成，彩色由GRB(Green Red Blue)基色组成。显示采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基色，合成一个彩色像素。扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下，逐行扫描，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，并预备进行下一次的扫描。VGA显示控制器控制 CRT显示图象的过程如图1所示。

2 VGA信号时序
图2所示是计算机VGA(640×480，60 Hz)图像格式的信号时序图。图2中，V_sync为场同步信号，场周期TVSYNC=16．683 ms，每场有525行，其中480行为有效显示行，45行为场消隐期。场同步信号Vs中每场有1个脉冲，该脉冲的低电平宽度tWV=63μs(2行)。场消隐期包括场同步时间tWH、场消隐前肩tHV(13行)、场消隐后肩tVH(30行)，共45行。行周期THSYNC=31．78μs，每显示行包括 800点。其中，640点为有效显示区，160点为行消隐期(非显示区)。行同步信号Hs中每行有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度tWV=3．81 μs(即96个DCK)；行消隐期包括行同步时间tWH，行消隐前肩tHC(19个DCLK)和行消隐后肩tCH(45个DCLK)，共160个点时钟。复合消隐信号是行消隐信号和场消隐信号的逻辑与，在有效显示期复合消隐信号为高电平，在非显示区域它是低电平。

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3 VGA时序信号及彩条信号产生模块设计
3．1 VGA时序信号产生模块
VGA时序信号产生模块包括行点数计数器h_cnt、场行数计数器v_cnt、行同步产生状态机h_state和场同步产生状态机v_state等。其中，行点数计数器是800进制计数器，场行数计数器是525进制计数器。行同步状态机h_state有h_video，h_front，h_sync， h_back四种状态，它根据行点数计数器的计数值来进行状态转换；场同步状态机v_state有v_video，v_Front，v_sync， v_Back四种状态，它根据场行数计数器的计数值来进行状态翻转。这两个状态机的状态转移图分别如图3和图4所示。

当行状态机h_state复位时，即进入h_video状态，它对应每行的有效显示区域。行计数器h_cnt对25 MHz的点时钟进行计数，当行计数器h_cnt的计数值到达639时，行同步状态机即进入行消隐前肩h_front状态；当h_cnt的计数值为663 时，行同步状态机进入行同步状态h_sync，此时，行同步信号Hs输出低电平。当h_cnt的计数值为759时，状态机即进入行消隐后肩h_back状态；当行状态机为h_front，h_sync，h_back状态时，行消隐信号输出低电平。当h_cnt的计数值为799时，行同步状态机进人 h_video状态，同时，行计数器的同步复位信号为高电平，使行计数器复位。
场状态机v_state开始时进入v_video状态，对应每场的有效显示行，场计数器v_cnt的计数值每行加1。当场计数器的计数值到达479时，场状态机翻转，进入场消隐前肩v_ront状态；当v_cnt的值为497时，状态机v_state进入场同步状态v_sync，场同步信号Vs此时输出低电平；当v_cnt的值为499时，状态机v_state进入场消隐后肩v_back状态；当v_cnt的值为524时，状态机v_state又翻转进入 v_video状态，同时输出高电平到场计数器v_cnt的同步清零端使其清零。当场状态机v_state的状态为v_Front，v_sync， v_Back三种状态时，场消隐信号输出低电平，其余时刻为高电平。行、场消隐信号的逻辑与即为复合消隐信号。
3．2 VGA彩条信号产生模块
彩条信号产生模块包括了彩条模式控制、竖彩条发生和横彩条发生等三个模块。竖彩条发生模块根据行点数器h_cnt的计数值来产生彩条，其流程图如图5所示。它对行点数计数器的数值进行判断，每80条竖线生成一种竖彩条，共8种竖彩条横彩条发生模块与竖彩条发生模块相似。它根据场行数计数器v_cnt的计数值来产生横彩条，流程图如图6所示。每60条扫描线为一个彩条宽度，共8种横彩条模式。计数器mode的值又决定着输出彩条信号的类型，当mode为0 时，输出的彩条为竖彩条；当mode为1时，输出的彩条横彩条。

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3．3 用FPGA下载验证结果
对上述分析的两个模块，已经用QuartusⅡ软件进行仿真验证，并得到正确的仿真图形。通过了软件的测试，设计进入了最终阶段――硬件的调试与通过，本设计采取的是FPGA开发板，图7就是FPGA开发板的实物图，将程序写入PC机经过FPGA芯片在VGA接口处输出数据，并显示在CRT显示器中。图 8，图9就是设计出的8种彩色条纹输出显示控制器设计的最终输出结果。

由实验结果可以看出，该设计可以正确地输出8种彩色的横条纹和竖条纹。从而验证VGA模块的时序及彩条信号模块的正确性。

4 结 语
在调试电路时，使用FPGA中多余的逻辑产生VGA信号和彩条信号，所产生的信号稳定可靠，为电路调试带来了很多方便。
在实际应用中，还可以方便地修改彩条信号产生模块。比如，可以修改行、场计数器的判断值，以调整彩条的大小，增加延时跳变的功能，使输出的彩条信号产生各种变化。此外，与VGA信号类似，改变行、场状态机的转换值和行、场计数器的设置，还可以产生其他各种模式的图像信号，以适应不同分辨率图像显示的需要。如果在该设计的基础上加上采集模块，就可以显示希望显示的图片。