基于FPGA的VGA显示 论文

VGA显示器控制电路论文前言VGA(视频图形阵列)作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。

利用FPGA 芯片和EDA设计方法，可以因地制宜，根据用户的特定需要，设计出针对性强的VGA显示控制器，不仅能够大大的降低成本，还可以满足生产实践中不断变化的用户需要，产品升级换代方便迅速。

在本设计中采用Altera公司的EDA软件工具Quartus II,并以Cyclone II系列的FPGA的器件作为主实现硬件平台的设计。

一、FPGA的原理FPGA 是Filed Progranmmable Gate Array的缩写，即现场可编程逻辑阵列。

FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件它一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔丝（Anti_Fuse）工艺等。

FPGA的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。

FPGA的基本组成部分有可编程输入/输出单元，基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。

FPGA 的主要器件供应商有Xilinx、 Altera、 Lattice、 Actel和 Atmel 等。

二、 VGA转换接口的简单描述本设计另外自制VGA接口电路。

VGA时序控制模块是整个显示控制器的关键部分，最终的输出信号行、场同步信号必须严格按照VGA时序标准产生相应的脉冲信号。

对于普通的VGA 显示器，其引出线的共含5个信号：G,R,B（三基色信号），HS（行同步信号），VS（场同步信号）。

在五个信号时序驱动时，VGA显示器要严格遵循“VGA工业标准”，即640Hz×480 H z×60Hz模式。

下图（1）为VGA显示控制器控制CRT显示器VGA（Video Graphic Array）接口，即视频图形阵列，也叫做D-Sub接口，是15针的梯形插头，分3排，每排5个，传输模拟信号。

VGA接口采用非对称分布的15针连接方式，其工作原理：是将显存内以数字格式存储的图像（帧）信号在RAMEAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。

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，被显卡中的数字/模拟转换器转变为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。

对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像生成图像。

而对于LCD、DLP扥数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D （模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。

在经过D/A和A/D2次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。

VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。

VGA接口的引脚分配如下图（1）所示图（1）三、主要功能模块设计注：主要模块为三块，一个二分频模块，一个VGA时序和行点位置模块，一个图形生成模块，本来想利用老师提供的方案进行制作，但在按键去抖模块以及按键累计模块没有能完成，故更改方案，换用读取拨动开关的模式来选择模式显示。

1.1 VGA时序控制模块（vgaxm.v）功能：根据VGA显示器的工作原理，提供同步信号（H_SYNC和V_SYNC）及像素位置信息。

设计思路：根据VGA显示器的工作原理，以垂直同步信号的出现时刻作为时间的起点（原点），根据时序图算出每一个关键时间点所需的计数器最大值，据此输出H_SYNC和V_SYNC，在此基础上对扫描的行数及像素点数进行计数，从而输出像素位置信息。

1.1.1VGA的时序详细讲解对于VGA显示器，每个像素点的输出频率为25.175MHZ，本实验采用50MHz的时钟信号，经过模块divider（二分频模块）的分频得到25MHz的时钟输入信号。

依据VGA时序标准，行同步信号HS，行周期为32.2us，也就是H_sync（行）的周期；场同步信号VS，场周期为16.89ms，也就是V_sync（一帧）的周期。

刷新1个像素所需时间Tpixel = 1/ fclk =40ns；从（b）水平刷新循环中，可以知道刷新一行所需时间公式：Trow = B+C+D+E=Tpixel ⨯ 640 + guard bands = 25.6μs + B + C +E = 32.2μs；引入h_count[9..0]：用于Trow（25MHz）的定时计数，计数清零时由时序可得下面计算式子：h_countend：同时可以从该时序图确定p_begin_time和p_end_time的像素点pixel开始计数以及清零计数的时间，计算式子如下：p_begin_time :p_end_time :还能得出行扫描h_sync在h_count从0~805计数期间，从第几计数开始为电平变化。

图中，B=3.77us就是说在h_count计数起到3.77us到来之间行信号h_sync 保持低电平，在3.77us到32.2us之间为高电平，刚好为一个行信号周期。

以下是计算式子（hsync_end代表h_sync的低电平截止时间范围）：hsync_end：程序简单描述如下：h_count计数：always @( posedge clk) //25MHZ// 在垂直刷新循环内，当h_count计到规定的最大值805时，则清零；否则加1计数h_sync的电平变化：assign h_sync_pulse_w = (h_count < hsync_end); //从h_count计数到94（3.77us）为1，95~805为0 在v_sync负脉冲宽度内，v_sync_pulse_w为高电平assign h_sync=~h_sync_pulse_w;（a）垂直刷新循环从（a）垂直刷新循环，可以知道刷新完480行，并完成一帧所需时间Tscreen =P+Q+R+S= Trow ⨯ 480 + guard bands = 15.456ms+ P + Q + S = 16. 89ms引入v_count[18..0] ：用于Tscreen的定时计数，每当h_count计数满805，v_count计数加1一次；计数清零时由时序可得下面计算式子（v_countend为v_count计数清零值）：v_countend：同时可以从该时序图确定h_begin_time和h_end_time的行计数line开始计数以及清零计数的时间，计算式子如下：h_begin_time :h_end_time :还能得出场扫描v_sync在v_count从0~525计数期间，从第几计数开始为电平变化。

图中，P=64us就是说在v_count计数起到64us到来之间场信号v_sync 保持低电平，在64us到16. 89ms之间为高电平，刚好为一个场信号周期（一帧）。

以下是计算式子（vsync_end代表v_sync的低电平截止时间范围）：vsync_end：程序简单描述如下：v_count计数：always @ (posedge clk )// 当垂直刷新循环结束（满480）时v_count清零；否则当h_count计到规定的最大值（805）时加1计数；v_sync的电平变化：assign v_sync_pulse_w = (v_count < vsync_end); //从v_count从0计数到2（64us）为1 3~525为0 在h_sync负脉冲宽度内，h_sync_pulse_w为高电平assign v_sync=~v_sync_pulse_w;1.1.2提供行列以及格线计数值行或列计数：line 和pixel；格线计数器：line_cnt，pixel_cnt，strip_cnt（1）line[8..0]：用于对行数（1~480行）计数，其clk等于水平同步信号h_sync 的下降沿；（2）pixel [9..0] ：用于对每行的像素点数（1~640个点）计数，其clk等于输入时钟fclk25M。

/* 3. line[8..0]对像素所处行计数*/always @ (negedge h_sync )//h_sync的下降沿触发line计数。

//当h_begin_time ≦v_count≦h_end_time，且当line≦480时，则line加1计数；//否则line清零。

/* 4. pixel[9..0]对像素所处列计数*/always @ (posedge clk )/*当1≦line≦480（必须有此条件，否则pixel在h_sync来后B+C时间之后即开始加1计数，而此时line=0），且p_begin_time≦h_count≦p_end_time，且pixel ≦640时，则pixel加1计数；*///否则pixel清零。

（3）output[4:0] line_cnt; //用于棋盘格1的水平格线计数32进制,32.2uss计数一次（4）output[5:0] pixel_cnt; //用于棋盘格1的垂直格线计数64进制40ns计数一次（5）output[5:0] strip_cnt; //用于横彩条2的水平格线计数64个6432.2uss计数一次2.1生成图形子模块注：RGB[2..0]：颜色信号，R——红色信号；G——绿色信号；B——蓝色信号。

其对应颜色关系如下表所示。

功能：根据时序控制子模块输出的像素位置信息，在不同的显示模式下，输出不同的颜色信号。

设计思路：采用case语句，来确定不同的显示模式；在每种显示模式下，采用if-else 语句，根据像素所处的位置（即line和pixel的范围），来确定输出不同的颜色信号。

对棋盘格1、横彩条2的格线的判断不用枚举的方法，而是根据vgacore2.v 输出的格线计数器line_cnt、pixel_cnt和strip_cnt的大小，用if-else语句简单地实现。

本模块主要的图形生成程序简述如下：/* 2. 根据cnt值产生不同的显示图形*/always @ (posedge clk )beginif( line>9'd0 & line<=9'd480 & pixel>9'd0 & pixel<=10'd640) //若在有begin 效区域内case(cnt)0:begin/*（1）模式1：4大图形块*/1:begin/*（2）模式2：竖彩条*/2:begin/*（3）模式3：横彩条*/3:begin/*（4）模式4：棋盘格1 16*16 */4:begin/*（5）模式5：小横彩条*/5:begin/*（6）模式6：棋盘格2 30*40 */endcaseendelse rgb=3‘b000;//超出有效区域，则为黑色end2.1.1VGA竖彩条发生和横彩条发生竖彩条发横模块根据像素点计数器的h_count的计数值来产生彩条，其流程图如（a）所示。