一种基于FPGA的VGA 象信号发生器设计

Cyclone器件具有高级外部存储器接口，允许设计者将外部单数据率（SDR）SDRAM，双数据率（DDR）、SDRAM和 DDR FCRAM 器件集成到复杂系统设计中，而不会降低数据访问的性能。并且还具有两个可编程锁相环（PLL）和八个全局时钟线，能提供时钟管理和频率合成，实现最大的系统功能。根据VGA显示原理，图象信号产生器的主要功能是：产生时序驱动信号HS、VS及VGA彩色图象编码信号，同时在正确的时序控制下，输出ROM中的象素数据至显示器的VGA接口，进行图象显示。FPGA内部电路原理结构如图4。本文利用Altera公司QuartusⅡ6.0开发平台，遵循自顶向下的设计方法，针对各功能模块，采用VHDL语言对FPGA器件编程，产生HS和VS扫描时序信号及各种图象信号。

VGA时序信号是图象显示的关键，行场扫描时序的产生，是利用逻辑编程的方法实现的，即用VHDL编写分频器，计时器模块，来获得T1、T2、T3、T4时序。当输出数字、彩条信号和棋盘格图象时，由外部12M有源晶振提供时钟输入，其中行频HS：12MHZ ÷13÷29=31830Hz、场频VS：31830Hz÷480×0.93=61.67Hz、T1=1/31830Hz×4/29=25.96us、T2=1/31830Hz×5/29=6.04us、T3为两个行周期(T1+T2)，T4为480个行周期。

图象信号包括数字、彩条、棋盘格，和ROM中定制的图形等。数字信号和彩条信号的产生是按行场方向将屏幕各进行8等分，相当于一个8×8的点阵，在对应位置显示相应颜色即可获得所需图像信号；棋盘格信号是将横彩条和竖彩条相异或获得。ROM中定制的较为复杂的彩色图像，需采用像素点输出，即将图像各像素点的信息存储于ROM中，再以一定的频率输出。FPGA器件ROM的定制有两种方法：第一种方法是利用FPGA器件的嵌入式存储器定制LPM_ROM,用.MIF文件或.HEX文件对其进行初始化，这种方法获得的ROM最大寻址空间为2 12，可以存储一幅分辨率为64×64的图像信息；第二种方法是在FPGA逻辑资源的限度内用VHDL语言定制一个ROM，采用CASE语句对其进行初始化，这种方法获得的ROM在存储深度较大时，编译时对时间的开销较大。ROM初始化完成后，在25MHz的时钟频率下输出存储的图像信息。其图象颜色种类的多少取决于存储空间的大小。

ROM定制的图象信息是利用FPGA嵌入的存储器定制LPM_ROM,可以用于存储一幅64×64分辨率的图像信息，数据线宽为3位，地址线12根，采用组合寻址方式，即行地址HSADDRESS占低6位，场地址VSADDRESS占高6位；若要显示更为复杂的图象信息，只需扩展存储器及寻址的数据线宽度，为了保证行地址信号输出与行扫描信号输出同步，场地址信号输出与场扫描信号输出同步，在VHDL编程时，可用25MHz时钟作为进程的启动信号。输出信号的时序波形如图6所示。各种图象信号的输出是由数据选择器通过VHDL编程实现的。

4.2 视频输出接口电路部分设计

VGA 接口采用非对称分布的15pin 连接方式，其工作原理是将显存内以数字格式存储的图像( 帧) 信号在RAMDAC 里经过模拟调制成模拟高频信号，然后进行输出显示，这样VGA信号就不必像其它视频信号那样还要经过矩阵解码电路的换算。从视频成像原理可知VGA的视频传输过程是最短的，所以VGA 接口拥有许多的优点，如无串扰、无电路合成分离损耗等。视频输出与VGA 接口如图7。

4.3 模式控制与显示部分设计

为了实现人机对话，模式控制与显示即人机接口的设计，选用LCD显示器和矩阵键盘，使接口和显示更加友好。要求能根据键盘扫描结果，控制不同的图象信号输出，并进行相应的功能显示。采用单片机89S51作为控制器，对键盘模块和功能显示模块进行控制。用C语言编程，对键盘进行扫描和液晶显示模块的控制。当然也可以对FPGA器件编程，实现对键盘模块和功能显示模块的控制。但需占用FPGA器件的逻辑资源，会对定制图像信息的存储空间造成影响。

本设计采用4×4矩阵式键盘，行、列线占用单片机8个I/O口资源，键盘扫描过程是列扫描行输出，逐列扫描，读取键值，根据读回的值判断所按键的位置，按键消抖采用延时消抖方式，根据键值跳转执行相应功能程序。显示器采用TS-12864-3液晶显示屏，由单片机控制及驱动，显示系统当前工作状态等信息。

5、结束语

随着数字图像处理的应用领域不断扩大，其实时处理技术成为研究的热点。EDA（电子设计自动化）技术的迅猛发展为数字图像实时处理技术提供了硬件基础。其中FPGA的特点使其非常适用于进行一些基于像素级的图像处理。 本文设计的基于FPGA的数字图像实时生成系统，可以实现各种数字、文字、彩条、ROM图像信号输出。其图像显示控制器的系统处理耗时小于20ms，完全达到了实时要求(50场/秒)。所进行的原理试验取得了良好的效果。

本系统可以作为显示器测试信号发生器，适用于显示器生产厂或者维修人员 、计算机房、以及单位用户、甚至个人用户，进行无需连接主机的画面演示、测试、检查，和维修后调试，通过对标准图形的观察和分析，能够判断显示器的总体性能或维修后效果。

本设计还可以作一些扩展，如添加语音处理电路，实现图像输出时同步输出语音；还可以外接大容量存储器，采用8位二进制数据表示R、G、B三基色，实现256色输出，使显示的图像色彩更加丰富。