2006-12-06-VGA图形显示控制器的FPGA实现方法
VGA显示器彩色信号发生器电路
EDA课程设计报告—VGA显示器彩色信号发生器电路班级：08通信A班姓名：崔儒学号： 0815231013指导老师：凌朝东摘要：VGA(Video Graphic Array)接口是与显示器进行通信的唯一接口。
通过FPGA器件控制RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号，并参照有关标准，最后可以实现对VGA显示器的控制。
本设计与传统的图像显示方法不同，为节省储存空间在设计中采用R、G、B三种基色利用FPGA芯片和EDA设计方法，可以显示8种颜色，设计出针对性强的VGA显示控制器，而且不需要依靠计算机，既能够大大降低成本，又可以满足生产实践中不断变化的需要，同时产品的升级换代也方便迅速。
本设计采用Altera公司的EDA软件0uartus II，并以Cylone 系列FPGA器件为硬件平台进行系统设计。
关键词：VGA；FPGA：VHDL；Ouartus II目录1、系统设计 (4)2、单元电路设计 (6)3、软件设计 (8)4、系统测试 (11)5、小结 (12)6、参考文献 (12)7、附录 (13)一、系统设计1、设计要求：VGA显示器彩色信号发生器电路，能在VGA显示器上显示8种颜色的图形（条型、方块型）。
2、系统设计方案：方案一：采用传统的图像显示方法，将图像数据传回电脑在传输过程中通过CPU对图像数据信号进行控制，通过显示器显示出来。
方案二：采用FPGA和EDA的设计方法，通过FPGA器件控制RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号，并参照有关标准，最终可以实现对VGA 的控制。
方案一为传统的图像显示方法，在传输过程中需要CPU不断对图像数据信号进行控制，这样就造成了CPU的浪费，同时系统还需要依赖电脑，降低了系统的灵活性。
方案二是利用可编程器件FPGA和EDA的设计方法，可以根据设计的需要设计出针对性比较强的VGA显示器，而且不需要依靠计算机，大大降低了成本提高了系统的灵活性。
综合上诉分析本设计中采用方案二。
基于FPGA的VGA图像显示
基于FPGA的VGA图像显示1、VGA显示原理VGA标准是一种计算机显示标准，最初是由IBM公司在1987 年提出的，分辨率是640*480。
VGA 接口也叫做D_Sub 接口，是显卡上输出模拟信号的接口。
目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的D/A 转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。
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。
要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键还是如何实现VGA时序。
VGA的标准参考显示时序如图1所示。
行时序和帧时序都需要产生同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)、显示时序段(Display interval c)和显示前沿(Front porch d)四个部分。
2、方案设计由VGA的显示原理可知，该任务的关键是VGA时序控制部分和汉字图形显示部分：（1）VGA时序控制部分，采用FPGA本地50MHz时钟，根据所需时序要求，经Verilog语言编写的计数模块分频而得到，该部分十分重要，如果产生的时序有偏差，那么就会使汉字图形无法显示或显示结果混乱；（2）汉字图形显示部分，有2种方法可以实现：第1 种是在对像素进行行计数、场计数的时候，就把字库信息直接赋值给颜色信号R、G、B，这种方法虽然简单，但是控制很不灵活，需要对汉字的显示像素一一判定对应的位置，容易出现错误，不易修改，所以本次采用的是第2 种方法，第2 种方法是使用FPGA内部的一种资源来存储汉字的字库信息，然后由程序将其提取出来作为显示信号发送到VGA 接口，以实现汉字图形的显示，这样就克服了第一种方法易出错又不易修改的缺点。
VGA的调试
用FPGA控制VGA显示图形和响应PS/2键盘摘要：本设计实现了FPGA对VGA和PS/2键盘的控制。
可以响应键盘的按键控制VGA显示字符和图片，并具有简单的文本编辑功能，包括光标移动、删除、换行、背景颜色变换等，借助片内rom存储器存储图片像素信息。
本设计的硬件平台为实验室已有的Cyclone II开发板， FPGA的器件全称为EP2C35F672C6。
设计采用Verilog HDL语言进行基本模块的编写，采用原理图输入方式进行顶层模块和ROM存储器的设计，开发环境为Quartus II8.1。
一设计原理(1) 用FPGA进行VGA时序控制的基本原理VGA显示器因为其输出信息量大，输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备，FPGA以其结构的优势可以使用很少的资源产生VGA的各种控制信号。
VGA显示器总共需要五根信号线，分别为R\G\Ｂ三原色信号和行同步(HSYNC)、场同步(VSYNC)信号。
在通用的标准中，VGA的像素输出频率为25.175 MHz，行频率是31.496 KHz，场频率是59.94 Hz。
分辨率为640*480，即每行显示640个像素，每场显示480行。
这640*480是显示器的有效显示区(Visible area)，除此之外，还有行、场消隐区(Back Porch)，以及行、场同步区（Sync Pulse）以实现行列的同步操作。
[1]如果利用实验室的液晶屏，可以增加分辨率至800*600，在这个标准下屏幕的刷新频率设为72Hz，行频率是48.08KHz。
FPGA需实现的扫描时序如下图：用FPGA实现VGA时序的原理：本设计的硬件平台为Altera公司的Cyclone II系列NIOS开发板(The Nios Development Board, Cyclone II Edition)，所用的FPGA是Altera Cyclone II系列器件中的EP2C35F672C6，它具有483,840bit的嵌入式存储器;33216个逻辑单元(LE); 105个M4K RAM Block。
基于FPGA的VGA控制器实现
据有 效时 间 ，ｋ 为场 消 隐前肩 时 间。 不 同 的分 辨率 下 ，行 同步和 场 同步 信号 的周 期 是 不 同 的 ，时 序 上 的 时 间也 不 一 样 。表 １ 出 列 了Ｖ Ａ的常用 分辨 率参数 。 Ｇ
一
（） Ｂ 、红基 色 （ ） Ｒ 、绿 基 色 （ ）这 ５ 信 号 ，如 果 Ｇ 个
能 从Ｆ Ｇ Ｐ Ａ中按 其 时 的需 要 求 准 确 发 送 这 些 信 号
到Ｖ Ａ接 口。就 可 以实现 对 Ｖ Ａ的控 制 。Ｖ Ａ的 Ｇ Ｇ Ｇ
种用ＦＧ Ｐ Ａ实 现 Ｖ Ａ显 示 的 控 制 器 ，从 而 实 现 Ｇ
可编程 逻辑 单元 、嵌 入 式Ｒ Ｍ模块 、丰 富 的布 线 Ａ
确 定 Ｖ Ａ显示 接 口时序 主要 应 考 虑行 同步信 Ｇ 号 ｆ Ｙ Ｃ 、 场 同 步 信 号 （ Ｓ ＮＣ 、蓝 基 色 ＨＳ Ｎ ） ＶＹ ）
资源 、底 层 嵌 入式 功 能单 元 和 内嵌 专 用 硬 核 等 ６ 部 分 组 成 。基 于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的产 品设 计 具 有 开 发 过 程 简 单 ，投 资小 ，可反 复修 改 ，周 期 短 ，易 于 产 品 升 级等 优 点 ，故其 应用 越 来越 广 泛 。本 文 介 绍 了
信 号 时 序 如 图 １ 示 ，它 分 为 行 数 据 时序 和场 数 所
据时 序 两部 分 。 所谓 行 时序 ，就是 显 示一 行 数据 的时 序 。从 图 １（）可 以看 出 ，显 示 一 行 数 据 需 要 的 时 序 分 ａ
四部 分 。 产 生 行 同步 脉 冲信 号 Ｈ ＹＮ 的 周期 ｅ＝ Ｓ Ｃ
刘峰
（ 电子科技 大学 ，四 川 成都 ６ １３ ） １７ １
摘 要 ：依 据 标 准 Ｖ Ａ 示接 口的显 示 原 理 ，介 绍 了一 种 利 用 可 编程 逻 述 工具 来 完成ＶＧ Ｘ ｅｉ ｇ ｌ ＨＤ 语 Ａ接 口的控 制 ，从 而 实现 简单 的彩 色条纹 显 示 的
基于FPGA的VGA图像控制器设计与实现
ＶＡ 图像 控制 器 是一 个较 大 的数字 系 统 。采用 模块 化 设计 原 Ｇ 则和 自顶 向 下的设 计思想 ，进 行功 能分 离并按 层 次设 计 。将 Ｖ Ｄ ＨＬ 硬件 描述 语言 设计 与 原理 图设 计相 结合 ，逐 一对 每个 功 能模 块进 行仿 真 ，使顶 层 Ｖ Ａ图像 控制 器 的模块 实 体仿真 综合 得 以顺利 通 Ｇ 过 。Ｖ Ａ 控制 器主 要 由 以下模 块组成 ：消 隐模块 ，显 示模 块 ，分 Ｇ 频模 块 ，网格 生成 模块 ，汉字 显示模 块 ， 图像控 制模 块 ，动 画生 成模 块 ，ＬＭＲ Ｍ 用模 块 ，ＥＰ Ｏ Ｐ— Ｏ 调 Ｅ ＲＭ调用 模块 等 。 三 、模块 设计 （ ）消 隐模块 一 消 隐模 块 是整个 显示 控制 器 的关 键部 分 ，显示 模 块 、汉字 模 块 、彩 条模 块 、 网格 模块 、动画控 制 模块 、Ｌ ＭＲ Ｍ 调用 模块 等 Ｐ－ Ｏ 都 由消 隐模 块控 制 ，并且 行 同步信 号 （ｓ 和场 同步 信 号 （ｓ都 由 Ｈ） ｖ）
Ｈｕ Ｙｉ ａｎａ ｎＱａ
（ ｈ ｎ ｄ ｓｔｔ ｆ ｉ ｕ ｎＮ ｒ ｌ ｎ ｅｓｙＣｈ ｎ ｄ ６ ５ ，ｈｎ ） Ｃ ｅ ｇ ｕＩ ｔｕｅｏ Ｓｃ ａ ｏｍａ Ｕ ｉ ｒｉ， ｅ ｇ ｕ １ ４Ｃ ｉａ ｎｉ ｈ ｖ ｔ １ ７
Ａｂ ｔａ ｔ ＤＡ ｃ ｎ ｌｇ ｓｒ ｃ： Ｅ ｔ ｈ ｏｏ ｙｎ１ｉ ｔｅｃ ｒ ｆｍｏ ｅ ｅｅｔｏ ｉ ｅｉｎｔｃ ｎ ｌｇ ， ｌ ｓｏ ｏ ｒｕ ｏ ｕｅ ｌｔ ｒ ｉ ｅ ｓ ｈ ｏｅｏ ｄ ｍ ｌｃ ｎｃｄ ｓ ｅｈ ｏｏ ｙｉｒ ｉ ｎｐ ｗｅｆ１ｃ ｍｐ ｔｒｐａｆ ｍ ｒ ｇ ｔｅ ｅ ｏ ｎ
计 算机 光盘 软件 与应 用
fpga的编程方法
fpga的编程方法FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程的逻辑器件，能够根据用户的需求进行编程，实现各种不同的功能。
FPGA的编程方法有多种，包括硬件描述语言和图形化编程工具。
本文将介绍几种常用的FPGA编程方法，并对其特点和应用进行详细阐述。
一、硬件描述语言（HDL）硬件描述语言是一种用于描述数字电路的语言，常用的HDL有VHDL （VHSIC Hardware Description Language）和Verilog。
这种编程方法将硬件电路抽象为逻辑门、寄存器等基本元素，并通过编写代码来描述它们之间的连接关系和功能。
HDL具有描述精确、灵活性强的特点，适用于复杂的电路设计和开发。
使用HDL进行FPGA编程的过程大致包括以下几个步骤：1. 设计电路结构：根据需求和功能设计电路的逻辑结构，包括各个模块的功能和连接关系。
2. 编写HDL代码：使用VHDL或Verilog编写描述电路结构和功能的代码，包括模块实例化、信号赋值、时序控制等。
3. 综合与布局：将HDL代码综合为门级网表，然后进行布局布线，生成可配置的FPGA逻辑电路。
4. 下载与调试：将生成的逻辑电路下载到FPGA芯片中，并进行功能验证和调试。
二、图形化编程工具除了使用HDL进行编程，FPGA的编程方法还包括使用图形化编程工具，如LabVIEW FPGA和Xilinx System Generator等。
这些工具提供了可视化的界面，用户只需通过拖拽和连接图形元件，即可完成对FPGA的编程。
图形化编程工具的使用过程相对简单，适合初学者或对硬件电路编程不熟悉的人。
用户只需选择所需的功能模块，将其拖入工作区域，并通过连接线将各个模块连接起来。
然后，通过配置模块的参数和时序，即可生成对应的FPGA逻辑电路。
三、特殊领域的FPGA编程方法除了传统的HDL和图形化编程工具，还有一些特殊领域的FPGA编程方法。
VGA接口详解及其单片机驱动方法
由于单片机达不到很高工作频率，从而使其是否能够满足 VGA 接口时序 成为问题。采用 STC 增强型 51 单片机，对其可行性进行分析。
STC12 系列单片机是 1T 单片机（工作频率与外部振荡器频率相同），最高 可以达到 35MHz，这相当于传统 51 单片机的 420MHz（内部 12 分频），这使 得 VGA 时序的实现成为可能。
VGA 接口详解及其单片机驱动方法
VGA（视频图形阵列）作为一种标准的显示接口已经得到了广泛的应用。对 VGA 接口 时序进行深入的研究，从而采用单片机实现显示器的驱动。由于 VGA 接口对于时序十分严 格，而传统单片机在处理速度上并不能达到其时序要求。现采用增强型高速单片机，实现了 VGA 接口的显示器的驱动。下面对 VGA 接口进行详细的介绍。
13 HSYNC 或 CSYNC 行同步
14 VSYNC
场同步
15 ID3 或 SCL
显示器标识位 3
通常情况下，对 VGA 显示器进行驱动只需要 5 个信号即可，包括：行、
场帧同步信号，红、绿、兰三色信号。其中行、场同步信号为数字信号，红、
绿、兰三色信号为模拟信号。三色信号的输入电压范围是 0.0V~0.7V，采用 DAC
（1） VGA 接口定义
（2）
针脚功能详述
编号 标识
功能描述
1
fpga数码管显示实验原理
fpga数码管显示实验原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）数码管显示实验是一种利用FPGA进行数字数码管显示控制的实验。
FPGA是一种可编程逻辑器件，可实现数字逻辑电路的设计与实现。
本实验的原理是通过FPGA控制数码管的亮灭状态和显示的数字，以实现不同数字的显示。
整个实验可以分为数字信号生成、数码管扫描和数码管显示三个模块。
1.数字信号生成模块数字信号生成模块是实现FPGA输出驱动数码管的主要模块。
FPGA的管脚可以设置为输入或输出。
在本实验中，FPGA的输出管脚和数码管的输入管脚相连，通过FPGA控制输出信号，驱动数码管显示对应数字。
数字信号生成的步骤如下：（1）设置FPGA的输出管脚为输出模式（输出高电平或低电平）；（2）通过FPGA内部逻辑电路产生或处理需要显示的数字信号；（3）将处理好的数字信号传输到FPGA输出管脚；（4）输出管脚通过外部的连接线连接到数码管的输入管脚。
2.数码管扫描模块数码管扫描模块是为了能够显示多位数字，需要对数码管进行扫描操作。
扫描操作的原理是通过快速切换数码管的亮灭状态来实现显示多个数字的效果。
数码管通常由多个数字显示单元组成，每个数字显示单元对应一个输入管脚，FPGA的输出信号控制数码管上的不同数字显示单元。
数码管扫描的步骤如下：（1）设置FPGA的输出管脚为输出模式；（2）产生一个使得一些数码管显示的数字信号；（3）通过控制FPGA输出管脚的电平状态来选择需要显示的数码管；（4）不断循环上述步骤，可以实现多个数码管显示的效果。
3.数码管显示模块数码管显示模块是实现数码管上显示特定数字的部分。
在本实验中，常用的是共阳数码管和共阴数码管。
共阳数码管需要将管脚接上Vcc电源，通过地线控制输出高电平使得数码管亮起。
共阳数码管的原理是通过控制对应的输出管脚输出低电平，控制数码管上的七段LED显示不同的数字。
共阴数码管则需要将管脚接上地线，通过Vcc电源控制输出高电平使得数码管亮起。
基于FPGA的VGA控制器设计与实现
网２ Ｇ Ｖ Ａ显示模块与 Ｃ Ｔ显示器的控制榧图 Ｒ
的是 Ｖ Ａ显示模块与 Ｃ Ｔ Ｇ Ｒ 显示器 的控制框 图口 。
收 稿 日期 ：２０ —６ ０ ０８ ０— ５
作者简介： 杨杰 （ ９２ ） 女 ， １５一 ， 黑龙江齐齐哈尔人，副编审，本科，主要从事编辑学方而的研究。
将要显示内容转换成对应字模送人 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ，即可实现相应 内容的显示 关键词 ：Ｆ Ｇ Ｐ Ａ；Ｖ Ａ；显示控制 Ｇ 中图分类号 ：Ｔ ２３ Ｐ ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ — ８Ｘ ２０ ）６ ０ ５－ ３ ０ ７ ９ ４ （０ ８０ － ０ ０ ０
随着数字图像处理 的应用领域的不断扩大 ， 其实时处理技术成为研究的热点。 Ｄ 电子设计 自动化 ） Ｅ Ａ（ 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 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的特点适用于进行一些基于像素级 的图像处 ” Ｃ 。Ｌ Ｄ和 Ｃ Ｔ显示器作为一种通用型显示设备 ，如今已经广泛应用于工作和生活中。与嵌入 Ｒ 式系统 中常用 的显示器件相 比，它具有显示面积大 、色彩丰富 、承载信息量大 、 口简单等优点，如果将 接 其应用到嵌人式系统中 ， 可以显著提升产品的视觉效果 。 为此 ， 尝试将 Ｖ Ａ显示 的控制转化到 Ｆ Ｇ Ｇ Ｐ Ａ来完
表 １ Ｖ Ａ与ＦＧ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Ｇ Ｐ Ａ引 脚连接 表
３ 系统软件设计
采用 Ｐ ｔ Ｃ ２ ０ 软件进行字模转换 ，得到字符／ Ｃｏ Ｄ ０２ Ｌ 图像像素数 据。利用 Ｘｌ ｘＩ ． 、Ｍ ｄｌ ｍ开发 ｉｎ Ｅ ９ ｉ ｏｅ ｉ ｉ Ｓ １ Ｓ
平 台设计 程序 ，根据 Ｖ Ａ 显示 原理 ，产生 时序驱 动信 号 Ｈ 、Ｖ ，同时 在正 确的 时序 控制 下 ， Ｇ Ｓ Ｓ 扫描输出 Ｒ Ｍ 中的像素数据至显示器的 Ｖ Ａ接口，进行图像显示 。程序流程见图 ３ Ｏ Ｇ 。
基于FPGA的VGA显示控制器设计研究
基于FPGA的VGA显示控制器设计研究作者：李德明来源：《电子世界》2012年第23期【摘要】本设计采用了以FPGA为主控器件的设计方法，将VGA控制器分成几个子模块，采用Verilog HDL硬件描述语言对各个模块进行描述设计，并利用EDA软件，完成对局部模块和整体模块的代码编写及仿真验证。
通过分析VGA显示的基本原理和信号要求，设计整个系统的软件、硬件结构，包括VGA时序和显存时序的发生，通过按键控制实现横彩条、竖彩条图案的选择，并进一步设计出实现文字和图像的显示。
【关键词】VGA显示；FPGA；时序控制；控制器VGA（video graphic array）作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用，基于VGA接口标准的显示器作为一种通用型显示设备，已经成为很多电子数码产品的常用输出设备。
与嵌入式系统中常用的TFT液晶显示器件相比，它具有显示面积大、色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点，如果将其应用到嵌入式系统中，可以显著提升产品的视觉效果。
驱动VGA接口显示器，需要很高的扫描频率，以及极短的处理时间，实现VGA显示功能，既可以使用专用的VGA接口芯片，也可以用FPGA来实现对VGA显示器的驱动控制。
本设计采用Altera公司的FPGA芯片驱动VGA接口显示器显示彩条及简单的图形，FPGA的运行速度块，管脚资源丰富，容易实现大规模的系统设计，有大量的软核可用，便于进行二次开发。
另外，由于FPGA具有可重构能力、抗干扰性强等特点，因此，FPGA在工业控制等领域越来越受到重视。
利用FPGA完成VGA显示控制，可以使图像的显示脱离PC机的控制，形成体积小、功耗低的嵌入式便携式系统，应用于地面勘测、性能检测等方面，具有重要的现实意义。
1.VGA显示技术原理VGA显示控制主要有五个信号线，分别为R、G、B、VSYNC（场同步）、HSYNC（行同步）信号。
红（R）、绿（G）、蓝（B）是大家熟知的三原色，R、G、B这三个模拟信号的电平范围是由0.4V到0.7V，由R、G、B的电压差便可以产生出所有的颜色。
VGA显示控制资料
基于FPGA 的VGA显示控制摘要VGA（Video Graphics Array）即视频图形阵列，是IBM公司1987年推出的一种传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛应用。
本次课程设计是基于FPGA和主芯片为 EP4CE30F23C8N的ALTER公司的开发板Cyclone IV来实现的。
数字图像信息在VGA接口显示器正确、完整地显示,涉及到时序的构建和数字图像信息的模拟化两方面,提出一种能够广泛应用的VGA显示接口方案,详细阐述了数字图像数据DA转化并输出到VGA接口显示器显示的方法,其中包括接口的硬件设计、视频DA转换器的使用方法、通过FPGA构造VGA时序信号的方法等等。
方案可以应用于各种仪器,数字视频系统、高分辨率的彩色图片图像处理、视频信号再现等。
课设主要用到的芯片是ADV7123，它是一款高速、高精度数模转换芯片。
拥有三路十位D/A转换器，能够将代表颜色的数据锁存到数据寄存器中，然后通过D/A 转换器转换成模拟信号输出，得到我们要的色彩。
VGA显示的硬件设计和原理1.1 FPGA主芯片课程设计所用开发板的主芯片是EP4CE30F23C8N——Cyclone IV，其由Altera公司开发，值得注意的是该开发板所支持的QUARTUS II的版本较高，并且11.0的版本较12.0的版本编译好的程序更好下载。
图-11.2 ADV7123实现VGA的控制显示主要用到的芯片就是ADV7123，ADV7123由完全独立的三个I0位高速D/A转换器组成,RGB（红绿蓝）视频数据分别从R9~R0、G9~G0、B9~B0输入，在时钟CLOCK的上升沿锁存到数据寄存器中，然后经告诉D/A转换器转换成模拟信号。
三个独立的视频D/A转换器都是电流型输出，可以接成差分输出，也可以接成单端输出。
DE2-115上按单端输出，在模拟输出端用75欧姆电阻接地，以满足工业标准。
VGA简单图像显示控制模块设计
VGA简单图像显示控制模块设计一、实验目的随着数字图像处理的应用领域的不断扩大，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 的特点适用于进行一些基于像素级的图像处理。
LCD 和CRT 显示器作为一种通用型显示设备，如今已经广泛应用于工作和生活中。
与嵌入式系统中常用的显示器件相比，它具有显示面积大、色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点，如果将其应用到嵌入式系统中，可以显著提升产品的视觉效果。
为此，尝试将VGA 显示的控制转化到FPGA 来完成实现。
利用可编程器件CPLD/FPGA实现VGA彩色显示控制器在工业现场中有许多实际应用。
以硬件描述语言VHDL对可编程器件进行功能模块设计、仿真综合，可实现VGA显示控制器显示各种图形、图像、文字，并实现了动画效果。
二、实验概要1、VGA输出利用FPGA 设计一个类似点阵LCD 显示的VGA 显示控制器，可实现文字及简单的图表显示。
工作时只需将要显示内容转换成对应字模送入FPGA，即可实现相应内容的显示。
2、LCD1602显示显示VGA图像输出信息。
3、按键控制选择要显示的图片或内容等等。
4、声光提示LED与蜂鸣器，用于警告提示或其他功能标识。
5、 VGA 接口及设计参数VGA接口是与显示器进行通信的唯一接口。
通过CPLD/FPGA器件对RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号的控制，并参照有关标准，可以实现对VGA显示器的控制。
由此可见，了解接口标准，控制时序和设定恰当的参数是系统设计的关键。
参照VGA主要参数的工业标准，像素输出频率为25.175MHz；行频(线频率)为31.469KHz；场频(刷新率)为59.94Hz。
参数设计原理以及行同步信号(Ts)与显示信号(Tdis)的关系如图1所示。
6、 VGA 图像控制器的设计方案VGA图像控制器是一个较大的数字系统。
采用模块化设计原则，借鉴自顶而下的程序设计思想，进行功能分离并按层次设计。
基于FPGA的变电站智能电子设备VGA控制器的研究
Ｎｏ ．∞ ６ ｖ２ 、０．２Ｎｏ４ ｒＩ １ ．
￣ Ｇ的 电 智 电 设 ＶＡ 制 的 究 Ｔ Ｐ 变 站 能 子 备 Ｇ控 器 研 ＦＡ
丁青锋 ， 林知 明
（ 华东交通大学 电气 与电子工程学 院， 江西 南 昌 ３ ０ １ ３ ０ ３） 摘 要： 利用可编程器件 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实现 Ｖ Ａ彩色显示控制器在工业现场 中有很多的应用。用硬 件描述语言 Ｇ Ｖ Ｌ ＨＤ 对可编程器件 Ｆ ＧＡ进行功能模块设计、 Ｐ 仿真综合 ． 可实现 Ｖ Ａ控制器显示各种图形、 Ｇ 图像 、 文字等 。 关键词： Ｇ 现场可编程门阵列 ； Ｖ Ａ； 硬件描述 语言 ； 控制器 中图分类号 ： Ｎ ７ ． 文献标识码： 文章编号：０ ７ ４６ （０ ６０ － ０ ３ ０ Ｔ ８ ３９ Ａ １０ － ２０２０ ）４ ０５ － ３
近 年 来 ， 着 变 电 站 综 合 自动 化 技 术 的 发 展 ， 散 式 结 构 的 变 电 站 自动 化 的 优 越 性 得 到 充 分 体 现 ， 随 分 其 中 ｌ Ｄ（ 能 电子 设 备 ） 了 广 泛 使 用 ， 其 中 的 视 频 显 示 控 制 器 一 般 都 安 装 在 设 备 机 箱 中 ， 就 对 其 Ｅ 智 有 而 这
３１ 消 隐 模 块 ．
消 隐 模 块 是 整 个 ＶＧ 控 制 器 的 关 键 部 分 ， 示 模 块 、 格 模 块 、 字 显 示 模 块 等 都 由 消 隐 模 块 控 Ａ 显 网 汉 制 ， 且 行 同 步 信 号 （ ｓ 和 场 同 步 信 号 （ Ｓ 也 是 由消 隐 模 块 产 生 。 并 ｈ） Ｖ） 设 计 行 场 同 步 信 号 ， 般 有 两 种 方 式 ： 找 表 方 式 和 编 程 逻 辑 方 式 。查 找 表 方 式 主 要 由 存 储 芯 片 构 一 查
基于FPGA的VGA图像控制器设计
是用来模拟 Ｄ Ａ转换器 的． 将输入信号 的电压分 成几段 。这样做的原因， 一方 面是考虑到实际应 用中， 很少会用到要显示 ２ ４位真彩色的情况 ； 另
一
方面是出于节约成本 的 目的． 因为要使用专用 的Ｄ Ａ转换器 ， 必定增加成本。其 中． 显示器耍求
Ｉ Ｖ Ａ图像控制器的硬件 电路设计 Ｇ
硬件电路如 图 １使用 ＦＧ ， Ｐ Ａ实现 Ｖ Ａ控制器 ， Ｇ 将产生 的信 号经 Ｄ Ａ转换送往显示 器的 Ｖ Ａ 口。 Ｇ 该电路 的 Ｖ Ａ接 口的 Ｒ Ｇ Ｂ引脚每个 引脚有两个信号线输 入， Ｇ 、、 可知 ． 电路只能显示 ６位色 的图片． 该 即： 可以显示 ６ 总共 ４种颜色。 由于显示器要求 Ｖ Ａ 口输入的必 须是模拟信 号， Ｇ 所以在 ６ 信号进入 个
啊１ ———斗 Ｔ 卜＿＿ｏＩ ｈ・ － ＿２ ——ห้องสมุดไป่ตู้ １
一
幅图片要想在显示器上显示 出来 ．
叫 Ｄ ■ Ｈ ｈｌ ＿ －－ Ｉ
二
它主要 需要 ５个信 号， 同步信 号 行
（ ｏ ｚ ｔ＿ ｙｃ 、 Ｈ ｒｏ ａ Ｓｎ ） 场同步信号 （ ｅ ｉｎ ｌ Ｖｒ －
ｔ ａ Ｓｎ ） ｉ ｌ ｙｃ 和 ｃ
摘
要： 首先介绍了Ｖ Ａ图 Ｇ 像控制器的硬件电 然后分别从时序信号产生、 片数据的 路， 图 存储和图
像显示三个方面对 Ｖ Ａ图像控制器的软件部分进行了介绍． Ｇ 最后给出了该控制器在 Ｍ ｄｌｍ中的仿 ｏｅ ｉ Ｓ 真结果并指出了该设计的可行性及优越性。 关 键 词： 现场可编程门阵列； 视频图形阵列； 行同步信号； 场同步信号
（ ）时序信号产生机制 １
VGA接口详解及其单片机驱动方法
VGA接口详解及其单片机驱动方法VGA接口的主要特点是使用了15个针脚，其中5个为红色、绿色和蓝色（RGB）的模拟信号，用于传输图像的颜色信息。
另外两个针脚分别用于传输垂直同步信号（VSYNC）和水平同步信号（HSYNC），用于同步显示器的显示。
剩下的8个针脚被保留用于不同的扩展功能，例如接地、模拟声音输入输出等。
在VGA接口中，RGB信号是通过模拟电压的方式进行传输的，其中的每个颜色通道的电压范围为0~0.7V。
这些模拟信号将通过显示器的电路进行处理，最终转换为人眼可识别的图像。
VGA接口的驱动方法主要包括两个部分：图像生成和信号输出。
图像生成是指通过单片机生成要显示的图像数据，通常使用单片机的GPIO口或者专门的图像处理芯片来实现。
信号输出则是指将生成的图像数据转化为模拟电压信号，并输出到VGA接口中。
在图像生成方面，可以使用单片机的GPIO口实现简单的图形和字符显示。
通过控制GPIO口输出高低电平来生成图像的每个像素点。
但是，由于单片机的计算能力和存储容量有限，一般只能实现简单的图像显示。
如果要实现更复杂的图像显示效果，可以使用专门的图像处理芯片，例如图像显示控制器（FPGA）或者图像处理单元（GPU）。
这些芯片具有更强大的计算能力和存储容量，可以实现更高分辨率和更复杂的图像显示效果。
在信号输出方面，需要将生成的图像数据转化为模拟电压信号，并输出到VGA接口中。
这一过程一般需要通过数字模拟转换器（DAC）来完成。
DAC将图像数据转化为模拟电压信号，并且通过电阻网络将这些信号输出到VGA接口的相应针脚上。
总的来说，VGA接口是一种常用的计算机显示接口，可以通过单片机的GPIO口或者专门的图像处理芯片来实现图像的驱动。
通过将生成的图像数据转化为模拟电压信号并输出到VGA接口中，可以实现图像在显示器上的显示。
采用FPGA的LCD转VGA控制器的设计
１ 系统理论分析
１１采用 Ｄ Ａ直接接处理器的 问题 ． ／ 只采用 Ｄ Ａ处理 的系统框 图如图 １ ／ 所示。
摘
要 ：针对采用视 频 Ｄ Ａ处理器将 Ｌ Ｄ转 ＶＧ ／ Ｃ Ａ时 出现 的带 宽不够 ， Ａ显示器屏闪 的问题 ，给 出了一种采 ＶＧ
用 Ｆ Ｇ 结合视频 Ｄ Ａ 的显示控制器 实现 方法。该方法将处理器送出来的 Ｌ Ｄ视频数 据放在 Ｓ Ａ 中缓存 ， ＰＡ ／ Ｃ Ｒ Ｍ 再按 Ｖ Ａ 的规格要求将数 据读 出并送至 Ｄ Ａ 转换成 ＶＧ Ｇ ／ Ａ格式的视频输 出，整个处理流程 由 Ｆ Ｇ 来控制 ，有 ＰＡ 效地解决 了显示 输出 占用大的数据传输带宽 问题 。该系统 已成功地在某机车图形显示系统 中使用 。
前加入 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ处理器 ，把从 Ａ ＲＭ 过来的 Ｌ Ｄ视频数 Ｃ
其标准统一 ，技 术成熟而使用 得非常广泛 。而 目前应
用得 比较多 的 Ｌ Ｄ 转 Ｖ Ａ 的控 制器是采用视 频 Ｄ Ａ Ｃ Ｇ ／ 转换器 ， 直接将 Ａ Ｍ 送过来 的 Ｌ Ｄ数据转换成 ＶＧ Ｒ Ｃ Ａ 模 拟信 号【，这种方法 虽然简单易用，却有很大缺 陷。 １ 】 三星 公司的 ￥ Ｃ ４ ０处理器作为一款性价 比高 的 ３２ １ 处理器而 被广泛 采用 ， 但当其工作在 ８ ０ ０ ×６ Ｈｚ ０ ×６ ０ ０ ×１ ６位ｆ 分辨率为 ８ ０ ０ 、刷新频率 为 ６ ｚ ６ ０ ×６ ０ ０ Ｈ 、１
据缓存至高速 Ｓ ＡＭ 显存， Ｒ 而送入 Ｄ／ 的每一帧数据 Ａ 则是从 Ｓ Ａ 中读出，这样就能完全满足 Ｖ Ａ视频 ＲＭ Ｇ 规范要求。笔者实验 中的采用 的分辨率为 ８ ０ ０ ， ０ ×６ ０ 刷新频率为 ７Ｈｚ ２ ，色 彩为 １ ６位。
VGA控制器IP核的FPGA实现
摘要： 随着高速图像处理的发展， ＶＧＡ 控制器 ＩＰ 核已成为 ＳｏＣ 芯片中的一个重要部件。这里介绍一种使用 ＦＰＧＡ 芯片实现对 ＶＧＡ 控制器的 Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 设计方案。该方案采用 ＦＰＧＡ 设计 ＶＧＡ 接口以将要显示的数据直接送到显示器上， 加快了数据的处理速度， 提高 了系统的兼容性， 比同类控制器有着占用资源少、时钟延迟小等特点。
２ 标准 ＶＧＡ 显示原理概述
随 着 ＰＣ 机 的 不 断 更 新 换 代 ， 显 示 控 制 卡 （ 即 显 示 适 配 器 ） 的 标准也不断发展。从最初的 ＭＤＡ（ 单色显示适配器） →ＣＧＡ（ 彩色 图 形 显 示 适 配 器 ） →ＥＧＡ（ 增 强 型 图 形 适 配 器 ） →ＶＧＡ（ 视 频 图 形 阵列适配器） 。ＶＧＡ 是 ＩＢＭ 公司于 １９８７ 年推出的 ＰＣ 机第三代的 显示标准， 它的体系结构由显示存储器、图形控制器、ＣＲＴ 控制 器 、属 性 控 制 器 、定 序 器 、及 视 频 输 出 数 字 模 拟 转 换 器（ＤＡＣ）几 大 部分组成。ＶＧＡ 一改以前显示卡采用的数字视频信号输出， 而用 模拟视频信号输出， ＶＧＡ 卡内的 Ｄ／Ａ 转换器将数字信号转换为控 制 Ｒ、Ｇ、Ｂ 三原色的模拟信号， 使像素色 彩 变 化 非 常 平 滑 ， 更 适 合 人的视觉感受。
本设计采用altera公司生产的ep1c6q240c8芯片作为视频驱动电路的核心部分利用其含有的丰富的逻辑单元将需要用多个分立逻辑芯片实现的功能集成在一块芯片上简化了pcb设计使系统的成本大大降低也减少了故障发生的概率使整个系统变得更加简洁实用
VGA显示驱动原理及其实现
VGA显示驱动原理及其实现VGA显示驱动原理一、简介VGA 是Video Graphics Adapter（Array）的缩写，即视频图形阵列。
作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。
在VGA规范中规定VGA信号线最长15米。
这是由于VGA 传输的是模拟视频信号，容易受到干扰，当信号传输距离超过15米时，VGA信号质量会严重下降。
VGA 接口常使用15 针的DB15 接口，该接口引脚功能如下表所示：二、扫描方式CRT时期扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下进行扫描，每扫完一行，电子束都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，预备下一场的扫描。
随着显示器发展，液晶显示开始流行，虽然液晶与CRT成像模式不一样，但是同样支持兼容传统接口，因此，我们在使用显示器时，只要该显示器带有标准的VGA 接口，我们就不用去关系其成像原理，直接使用标准的VGA 时序即可驱动。
对于普通的显示器（无论是液晶还是CRT），共有5 个信号：R、G、B 三基色信号，行同步信号HS，场同步信号VS。
对于时序驱动，VGA 显示器要严格遵循“VGA 工业标准”，即640*480*60Hz 模式四、标准时序具体时序可查看VESA_Monitor_Timing_Standard-Version，本文以640*480*60HZ 时序为例将以上图实例化640*480*60HZ消隐区内需送出黑场信号。
像素时钟=Htotal * Vtotal * rame =800*525*59.94=25.175MHz五、接口电路芯片能接收、发送均为数字信号，但VGA传输为模拟信号，故在传输，发送时候需要进行数模转换。
VGA发送原理图：VGA接收原理图本篇幅主要涉及VGA信号发送部分，该VGA接口三基色信号R、G、B共专用8位(分别是R 3位、G 3位、B 2位)。
基于FPGA的VGA图像控制器的设计与实现
控 制 器 ， 在硬 件 平 台上 实现 设 计 目标 。 与传 统 的设 计 相 比 ， 加 了 图像 模 式 的 选择 ， 于 嵌 入 式 系 统 应 用 扩展 。 并 增 便 使 用 Ｆ ＧＡ 代 替 ＶＧ 的 专 用显 示 芯 片 ， 以提 高数 据 处 理 速 度 ， 约 硬 件 成 本 。 Ｐ Ａ 可 节
２０ ０ ９年 １ ２月
Ｄｅ ． ２０ ｃ ０９
基 于 Ｆ ＧＡ 的 ＶＧＡ 图像控 制器 的设 计 与实 现 Ｐ
谢 磊
（ 州 大 学 信 息 工 程 学 院 ， 州 ４ ００ ） 郑 郑 ５ ０ １
摘
要 ： 据 ＶＧ 显 示原 理 ， 用 ＶＨＤ 依 Ａ 利 Ｌ作 为 设 计 语 言 ， 计 了 一种 基 于 现 场 可编 程 器件 Ｆ ＧＡ 的 ＶＧＡ 多 图２ Ｎｏ Ｉ ６ ．６
新 乡学 院 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＸｉ ｘ ａ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｄ ｔｏ ） ｏ ｒ ａ ｎ ｉｎ ｉｅ ｓｔ Ｎａ ｕ ａ ｉｎ ｅ Ｅ ｉ ｎ ｏ ｙ Ｓ ｉ
ｆ ｍ ，ｔ ｉ ｓｇ ｃ ｎ ｓ ｅ ｐ ｄａ ａ ｐｒ ｅ ｓｎｇ ｓ ｅ ｄ ｏｒ ｈ ｓｄｅ ｉｎ ａ ｐｅ ｄ ｕ ｔ ｏｃ ｓ ｉ ｐ ｅ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ＰＧＡ ；ＶＧＡ；ＶＧＡ ｒ ｐ ｉｓ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｆ ｇ ａ ｈｃ ｏ ｔｏｌ ｅ
关键 词 ： 场 可 编 程 门阵 列 ； 频 图 形 阵 列 ； 现 视 ＶＧＡ 图像 控 制 器
中 图 分 类 号 ： Ｎ９ ９ ８ ； ３ ９ Ｔ １ ． ２ ＴＮ ８
文献标志码 ： Ａ
文 章 编 号 ：６４３ ２ （０ ９ ０—０ １０ １ ７ — ３ ６ ２ ０ ） ６０ ５ ３
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ROM读取模块在Qurturs2综合后的RTL级图形
ROM读取控制模块仿真波形：
BMP图像数据存入ROM
本项工作的目的 由于没有现成的软件工具能把BMP图像 存为VGA格式的文件，并最终转化为 Intel hex 文件存入ROM，所以利用Visual C＋＋ 自己编译生成转化工具mifmaker
数字视频系统中VGA图形显示 控制器的FPGA实现方法
华侨大学信息科学与工程学院
基于FPGA的VGA图形控制 系统设计
VGA标准简介--VGA接口定义
VGA标准简介—关键参数
VGA时序标准 VGA工业标准中，像素输出频率为25.175MHz； 行频(线频率)为31.469KHz；场频(刷新率)为 59.94Hz。 分辨率 VGA标准的显示器来说，它的分辨率可以达到 640×480。 VGA显示模式 VGA显示模式分为字符模式和图形模式两大类。
场同 步头 对应位置 Tf Ta Tb Tc 场图 像 Td Te 场周 期 Tg
时间 （lines）
2
2
25
8
480
8
525
基于FPGA的VGA图形控制器系统框图
显示控制芯片各功能模块
VGA时序控制模块 彩条生成模块 汉字显示模块 ROM读取控制模块
顶层模块在Qurturs2综合后的RTL级图形
Tf
Ta
Tb
Tc
Td
Te
Tg
8
96
40
8
640
8
800
场同步信号
VS为场同步信号，场周 期为16.683ms，每场有 525行，其中480行为有 效显示行，45行为场消 隐区，场同步信号每场 有一个脉冲，该脉冲的 低电平宽度为63μs（2 行）
场扫描时序要求（单位：行，即输出一行 line的时间间隔）
行同步信号
行周期31.78μs，每显 示行包括800像素点，其 中640点为有效显示区， 160点为行消隐区（非显 示区）。行同步信号HS 每行有一个脉冲。该脉 冲的低电平宽度为 3.81μs（即96个脉冲）
行扫描时序要求（单位：像素，即输出 一个像素pixel的时间间隔）
行同 步头 对应位 置 时间 （pixels） 行图 像 行周 期
设计完成情况
经过实验论证，基于FPGA的VGA图形控制
系统已基本达到设计要求，可实现彩条、 汉字，小图像和大图像的显示，并可实 现FPGA器件对显示器的单片控制。 同时，在本设计中，已顺利建立基于 FPGA的VGA图形控制系统与VGA接口之间 的通信通道，在此基础上，可进一步实 现对其它显示系统的控制。
谢 谢！
时序模块在Qurturs2综合后的RTL级图形
时序信号仿真波形：
彩条生成模块
通过彩条图案的生成来验证时序生成 的正确性。 通过对彩条模式选择按键的控制来改 变彩条模式, 可产生竖彩条、横彩条、 棋盘格等多种彩条模式。
汉字显示模块
16×12个网格
64×48个网格
ROM读取控制模块 ROM读取控制模块是VGA彩色显示器和存 储图像数据的外部ROM之间的通道。为了保 证VGA显示器能够准确的显示图像，必须 严格按照显示器的扫描规律，产生相应的 地址信号 。 实现方式： 利用横坐标，纵坐标定位的方式实现地址信 号的产生。
结论
由于受到存储器件容量的限制，本设计中存储的图像
数据所采用的像素位深为3位，共可显示8种颜色。在 实际应用中，可以使用更大的存储器，最终实现256色 图像，乃至真彩色图像的显示。此外，在此设计基础 上，通过使用SDRAM等外部存储器，利用DMA控制方式， 并且配合Altera的nios嵌入式软核CPU，可以最终实现 视频系统的实时显示控制。 另一方面，鉴于显示标准和显示技术的发展，可以进 一步开发出兼容SVGA，TVGA标准的显示控制系统，甚 而拓展应用于液晶显示器和LED显示器的显示控制领域。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱGA时序控制模块
VGA时序控制模块是整个显示控制器的关键部 分。最终的输出信号HS,VS必须严格按照VGA时序标 准产生相应的脉冲信号，否则不能正确显示图像， 甚至损坏显示器。 设计思路：由于像素频率约为25MHZ,则当输入 50MHZ的时钟信号时，进行二分频处理，即可得到 与像素频率相同的时钟信号。再对25MHZ时钟信号 进行800分频，并当计数值小于640时，行同步信号 取高电平，计数值大于640小于800时，行同步信号 取低电平。在此基础上，利用行计数器进行计数， 当计数值小于480时，场同步信号取高电平，计数 值大于480小于525时，取低电平。