基于Verilog的VGA显示控制电路设计

0 引言
近年来,随着数字电路设计技术的逐步发展,集成电路的发展越来越趋近于超大规模、更低功耗及超高速[1]。

Verilog HDL就是在迫切需要设计者使用EDA工具完成大规模集成电路设计发展要求的情况下应运而生的,它使用编写代码的方法来完成数字电路的设计,不管是底层的门级电路,还是高层的行为描述,都可以通过代码实现,这种方式大大的提高了数字电路的设计效率[2]。

本文就是采用Verilog_HDL语言来实现一个VGA显示控制电路。

VGA接口由于具有传输速率高,协议简单,成本低等特点,因此被广泛使用。

1 设计原理
1.1 VGA时序分析
VGA主要用于计算机显卡传输图像到显示器的桥梁,将显卡处理的视频图像数据实时传输到显示器上进行显示。

广义的VGA为VGA显示器,狭义的VGA为VGA分辨率的时序。

由IBM公司推出的
采用RGB模拟信号的VGA视频传输标准,定义了具有60Hz刷新频
率、可产生1677万种色彩的640×480像素格式。

VGA的行扫描时序情况,如图1所示。

行同步时期a、行消隐后肩b、行显示时期c、行消隐前肩d四部分组成一个完整的扫描周期。

开始扫描,首先进行行同步操作,同步完成后才开始数据的扫描。

同样,场扫描时序图和行扫描时序图类似,如图2所示。

一个场扫描周期由n个行扫描周期所组成。

并且一次场扫描时序由完整的场消隐前肩、场同步时期、场消隐后肩、场显示时期组成,且自成体系。

1.2 VGA分辨率
分辨率就是一个用来表示物体精确度的参数,若显示器的分辨率参数越大,则其显示的图像越清晰,包含的信息量越大,画质中的细节越多,图像的保真性越高。

由于人的视觉暂留,想要实现CRT显示器画面不闪烁,至少需
收稿日期:2019-03-07
*基金项目:四川省教育厅科研基金重点项目(15ZA0145)
作者简介:王涌(1994—),男,四川宜宾人,硕士研究生,研究方向:软件无线电、EDA 技术及SOPC 技术。

通讯作者:肖顺文(1970—),男,四川金堂人,硕士,教授,研究方向:软件无线电、EDA 技术及SOPC 技术教学及研究。

基于Verilog 的VGA 显示控制电路设计*
王涌 肖顺文 罗春梅
(西华师范大学 电子信息工程学院,四川南充 637009)
摘要:采用自上而下的设计方法实现了一个分辨率较高、显示迅速且协议简单的VGA显示控制电路。

在QUARTUS II 13.1软件开发平台上使用Verilog HDL语言来完成时序模块和彩条像素模块的描述、编译,最后在第三方仿真工具Modelsim-Altera中对其进行模拟仿真,结果显示,该设计满足系统要求,能够成功的通过VGA接口在显示器上显示图案。

关键词:Verilog HDL语言；VGA技术；QUARTUS II 13.1；Modelsim-Altera 中图分类号:TN92文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2019)04-0150-02
设计开发
DOI:10.19695/12-1369.2019.04.80
图1 VGA行扫描时序图
图2 VGA场扫描时序图
2019年第 04 期
要实现每秒25帧画面的更新速度。

而显示器为了保证图像流畅,视觉效果最佳,通常扫描帧都在每秒60帧及以上。

IBM公司最先推出VGA视频标准,定义的VGA格式为具有60Hz刷新频率,图像分辨率为640×480。

由于制造技术的快速发展,分辨率标准越来越高。

本设计中的分辨率设为800×600,刷新频率设为60HZ。

针对不同的分辨率,通常可以用两种方法来表示时序参数:像素表示法和时间表示法。

FPGA擅长计数电路,因此采用像素表示法[3]。

2 设计实现过程
本文采用“自上而下”的方式,在ALTERA公司的QUARTUS II 13.1软件开发平台上使用Verilog HDL语言对PLL_40M时钟模块和VGA_module时序与彩色线条显示模块进行描述,在顶层模块中使用例化语句对两个模块进行调用,程序设计完成后,对所设计的VGA显示控制电路进行编译,编译无误后,通过编写Testbench仿真测试文件,在第三方仿真工具Modelsim-Altera中进行模拟仿真。

2.1 PLL_40M时钟模块
时钟模块提供电路所需的40MHz的时钟。

Intel提供了用于实现PLL(锁相环)功能的IP核ALTPLL,在本设计中调用、配置该IP核可实现设计所需要的40MHz的时钟。

2.2 VGA_module模块
VGA_module模块用于生成设计所需的VGA时序驱动和提供VGA 显示的图像数据。

VGA的时序驱动部分是相当固定的,本模块主要的设计方法是用了两个寄存器来分别对行扫描和列扫描进行管理。

当行扫描计数器扫描完行同步脉冲后至高HSYNC;同理,当列扫描计数器扫描完列同步脉冲后至高VSYNC信号。

部分Verilog HDL源程序如下:
//行扫描,用来给hsync_cnt寄存器赋值
always @ (posedge Clk or negedge Rst_n) begin
if(!Rst_n)
hsync_cnt <= 16'b0;
else if(hsync_cnt == `HSYNC_D)
hsync_cnt = 16'b0;
else
hsync_cnt = hsync_cnt + 1'b1;
end
//列扫描,用来给vsync_cnt寄存器赋值
always @ (posedge Clk or negedge Rst_n) begin
if(!RST_N)
vsync_cnt <= 16'b0;
else if((vsync_cnt == `VSYNC_R) && (hsync_cnt == `HSYNC_D))
vsync_cnt = 16'b0;
else if(hsync_cnt == `HSYNC_D)
vsync_cnt = vsync_cnt + 1'b1;
else
vsync_cnt = vsync_cnt;
end
3 设计结果
在QUARTUS II 13.1软件开发平台上打开HDL的RTL级图形观察器,就可以得到VGA显示控制电路的模块图如图3所示。

在第三方仿真工具Modelsim-Altera中进行模拟仿真。

本设计的要求是通过V G A接口,在显示器上四个区域依次显示红色(11100000)、黄色(11111100)、蓝色(00000011)、绿色(00011100),根据如图4总体设计仿真波形依次显示为11100000、11111100、00000011、00011100,得出该设计结果符合设计的要求。

4 结语
利用Verilog HDL设计VGA显示控制电路,采用“自顶向下”的方法,在QUARTUS II 13.1软件开发平台上,将各个独立但又相互联系的模块利用顶层文件调用实现复杂的数字电路,实现了以软件方式设计硬件的目的。

本设计只实现了VGA基本的彩条信号显示,在此基础上还可以做很多的扩展,将其设计成动态图片的显示,可塑性很强。

在第三方仿真软件Modelsim-Altera中验证VGA彩色信号显示控制电路的功能,操作简单易上手,不需要实际操作焊接、调试电路来验证设计功能,有效减少了设计所需的时间。

参考文献
[1] 潘松,黄继业,陈龙.EDA技术与Verilog HDL.北京:清华大学出版社,2010.4.
[2] 夏宇闻.Verilog基本知识(上)[J].电子产品世界,2002(19):70-72.
[3] 韩彬,于潇宇,张雷鸣,宋恒,林海全.FPGA设计技巧与案例开发详解[M].电子工业出版社.2016.1.
[4] 韩磊.基于FPGA的VGA信号发生器设计[J].产业与科技论坛, 2018,17(20):54-55.
[5] 蒋艳红.基于FPGA的VGA图象信号发生器设计[J].电子测量技术,2008(03):78-81.
[6] 马智强.PXI总线VGA图像信号发生器硬件模块设计[D].电子科技大学,2015.
图3 彩色信号显示控制模块图
图4 总体设计仿真波形
······下转第153页王涌 肖顺文 罗春梅:基于Ve rilo g的VGA显示控制电路设计
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2.1 无证人员身份识别
针对基建施工现场场地开放,面积不固定,区域不规则等因素,本文采用区域型机械扫描式毫米波雷达对设定的侦测区域范围进行360度全方位实时侦测,进入防区的目标进行侦测预警,经过雷达自带的深度识别技术辨别侦测的目标是人员还是机械,通过专用算法识别设定区域内人员数量[1]。

现场数据采集装置通过采集毫米波雷达侦测到的施工现场范围内所有人员数量M,采集射频识别读写器识别到施工现场人员数量N,做简单的差值计算M-N,得到进入施工现场的非持证人员数量Y。

经过装置计算分析,若Y为正数则认为施工现场有非持证人员进入施工区域,联动现场装置配备的声光报警装置提示现场负责人,并将报警信息保存至数据库存档,上传至安全管控平台,推送给需要报警信息的其他负责人。

2.2 关键人员身份核查
在识别施工现场所有人员都符合持证进入条件后,我们还需要进一步判断每个作业工种人员是否具有对应的作业资质,进一步确认是否有违规作业的情况发生。

针对以上应用需求,将特种作业人员的脸部信息事先采集到数据库中,并在数据库中将人脸信息与特种作业证信息匹配,从而确认其身份。

在实际的施工过程中,通过摄像机实时扫描特种作业区域内作业人员脸部特征,并进行信息提取与数据库中的信息进行对比,若与数据库中留存信息不匹配则认为存在违规操作情况,发出报警提示。

2.3 管理人员到岗履责痕迹督查
针对管理人员到岗位履责痕迹督查需求,本文设计应用单兵巡视记录仪或者智能安全帽来实现。

两种产品都有GPS和北斗双定位功能,佩戴于管理人员胸前或者头上,管理人员活动轨迹,工作言语
都会实时录制存储在记录仪里,并上传到监控平台[2]。

智能安全帽是针对施工现场特别研发产品,主要应用在电力施工过程中的安全管控,作业流程监控方面。

除了佩戴方式基本功能与单兵巡视记录仪功能类似。

2.4 施工人员动态管理,进出场考勤管理方案设计
运用射频电子标签技术也可实现施工人员动态管理,进出场考勤管理。

全体施工员工每人佩戴有源电子标签一张,作为门禁考勤卡。

用于上、下班时和一天当中考勤记录,只要标签处于读写器读写器有效识别范围,则阅读器便可自动识别自动识别到该标签信息,通过软件系统自动记录考勤信息,终端阅读器可以做到每10秒钟扫描一次设定范围内的人员到位情况,完全可以识别上班打卡,中途离场的情况发生[3]。

本考勤方法能有效地提高人员考勤的效率和准确性,实现远距离无接触自动识别。

3 结语
本文针对电网基建施工现场存在的主要问题,设计实现了基于人脸识别的电网基建施工安全管控系统,解决了电网基建施工现场的人员身份识别、作业规范识别及日常考勤管理等需求,保证了电网施工现场的安全。

参考文献
[1] 李科选,王美焰,李畅.某毫米波雷达天线系统结构设计与分析[J].机械与电子,2019,37(3):43-46.
[2] 李迥.施工现场智能化安全管理应用研究[J].施工技术,2017,46(20):139-141.
[3] 陈超,童可君,杨艳.一种基于电子标签技术的电力安全工具系统设计与应用[J].科技创新与应用,2019,4:86-87.
Design of Power Grid Construction Safety Management and Control System Based on
Face Recognition
SONG Hua-song,WAN Lei, LEI Yu,WANG Xu-dong
(State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd. Construction Branch, Hefei Anhui 230061)
Abstract:Aiming at the main problems of project management key persons and operation key points in power grid infrastructure construction site,this paper designs and implements a safety management and control system for power grid infrastructure construction based on face recognition, which meets the needs of personnel identification, operation specification identification and daily attendance management in power grid infrastructure construction site, and ensures the safety of power grid construction site.
Key words:power grid;safe construction;face recognition;management and control system
VGA Display Control Circuit Design Based on Verilog
WANG Yong,XIAO Shun-wen,LUO Chun-mei
(School of Electronic and Information Engineering ,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637009)
Abstract:Based on Verilog HDL hardware description language, using the method of "top-down", this paperdesigns a high resolution, fast display speed, simple protocol of VGA display control circuit. In the FPGA development platform, QuartusⅡ13.1, using Verilog HDL language to complete the description and compilation of timing module and color bar pixel module. Finally, the third party simulation tool modelsim-altera was used solely for simulation. The results showed that the design was compatible with the requirements of the system and could successfully display the pattern on the display through the VGA interface.
Key words:Verilog HDL language; VGA technology; QuartusⅡ13.1; Modelsim
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宋华松 万磊 雷雨等:基于人脸识别的电网施工安全管控系统设计。