基于FPGA的VGA显示设计报告

正文

一，VGA时序标准

VGA是一种常用的显示输出接口，采用行场扫描控制结合RGB三色合成原理，输出

显示信号。每个VGA接口为15针接口，分三行排布，每行5针。如图所示：

图1.1 VGA接口

15针并未全部使用，有效的信号线共5根，即红绿蓝三基色信号线：R,G,B，每线电压从0V到0.71V变化，表示无色到饱和，依据电平高低，显示颜色的饱和程度。行同步控制信号，Hsync,控制每行扫描像素的有效和失效。场同步：Vsync,控制场方向，即整个图像显示过程的时间长度，场同步中的显示部分的时间长度，等于每行扫描时间的总和。

在不同刷新频率下，显示每个像素的时间是不同的，相同刷新频率下，每个像素显示时间是固定的，所以，不同的每个像素写入时间，导致了分辨率的不同。因为VGA的显示是逐行扫描，每行从左到右扫描，到了行尾，回归到下一行的行头，继续向尾部扫描。所以，显示原理是逐次写入每行的像素数据，直到整幅图像显示成功为止。

VGA显示的数据是不能锁存的，所以必须一次又一次的连续输入数据，72Hz的刷新率下，一秒钟显示72幅图像，所以，需要连续写入72幅图像，才能达到一秒的显示效果。所以，VGA显示图像，要反反复复写入图像数据，才能得到持续的显示效果。

图1.2 VGA接口线序

VGA显示，无法做到类似于TFT液晶屏的定点写入，VGA是扫描式暂时显示，所以时序显得尤为重要，时序出现失误，图像会出现走形，无法达到准确效果。而显示的时序控制主要依靠两条数据通道：行同步和场同步，即Hsync和Vsync，其控制了扫描显示的起点和终点，同时控制扫描起点的时间，通过时间的控制，达到确定的显示效果。

具体的控制时序图如下：

图1.3 VGA 同步时序

VGA显示中，以每个像素写入时间作为FPGA时钟周期，所以每个时钟周期写入一组RGB像素值。逐行写入，所以每行数据显示的结果，拼凑成一帧图像，72Hz下，每秒显示72帧图像。由于本设计要求静态显示效果，所以，我们只定义一帧的数据，最后无限循环执行即可。

行同步信号用一个上升脉冲表示，脉冲以前称为前沿时间，用Tfp表示，脉冲后面还有一段时间消隐，叫后沿时间，用Tbp表示，场同步信号控制的方式，按时间先后为：上升脉冲，回归低电平，后沿消隐，正常显示时间，前沿消隐，一帧图像显示完毕，上升脉冲······以此类推。所以，场同步控制显示时，要注意先留出高电平脉冲时间，即Tpulse，接下来留出后沿时间，即Tbp,然后开始行同步控制扫描过程，全部显示完毕，要留出前沿时间，即Tfp，到达前沿时间之后，不允许进行像素写入，即写入无效。

针对行扫描，参照下图时序：

图1.4 行同步时序

行同步即控制每行扫描过程，扫描由高电平脉冲启动，到脉冲回归低电平，首先要预留出后沿消隐时间，即Tbp.之后到了显示部分，即Tdisp，每个时钟周期写入一组RGB值，为一个像素的数据。写完一行之后，到了前沿消隐时间，即Tfp.这段时间不能写入数据。当Tfp过后，下一个扫描周期，从高电平脉冲开始。周而复始，知道到达屏幕最底行。扫描至一帧画面完成。

本设计要求网格线为白色，即RGB均为1，其余为黑色，即RGB均为0。由于显示在800X600的分辨率以下，72Hz刷新率，需参照具体时序参数。

具体参数参照下表：

图1.5 800X600 72Hz下的VGA时序参数

二，软件部分

1，建模思路

本设计采用过程建模思想，针对时序上的过程，对应进行描述，行同步，场同步之间采用并行，通过计数器分别驱动，此外，显示赋值部分与前两者同样并行，时钟采用系统时钟，50MHz。

由于每个时钟周期显示一个像素，而行同步以时钟周期为参照单位，场同步以行扫描次数为参照单位。所以，根据行同步周期与场同步周期，建立两个周期的计数器，分别用来作为行同步控制时间标准和场同步控制时间标准。观察上述图表可以发现，行同步时钟以像素个数来作为时间标准，即以时钟周期个数作为时间参照标准。而场同步，以扫描线的条数作为参照标准，即每次完成一次行扫描，触发场计数一次。

在行同步和场同步计数器基础上，再进行时序判断，产生行同步信号和场同步信号。根据时序描述，每次显示开始，要由场同步信号产生6行扫描时间长度，即6X1040个时钟周期的高电平脉冲作为场同步控制信号。场控制信号如下：

图1.6 场同步控制信号Vsync

如上图，场同步信号占据6行扫描的时间，即Tpulse=6X1040，但是并不是意味着过了这个脉冲就立即可以进行行扫描，显示数据，我们发现，接下来出现的是后沿消隐时间，前后沿消隐时间内不允许写入数据，否则显示器会不支持输入的信号，从而无法正常显示。前沿时间，后沿时间，和控制脉冲共同组成消隐时间，这段时间内，扫描点从右下角返回左上角，即从画面终点回到扫描显示的起点。所以，消隐时间之内，不允许进行像素数据写入。

所以在脉冲控制时间之后，还要经过23行扫描时间的后沿消隐时间，这段时间内不允许写入像素数据，所以要约束时序，即经过23X1040个时钟周期的后沿消隐时间，才到达允许显示的时间，即Tdisp。

允许显示的时间，即Tdisp，数值上，等于600行扫描过程的全部时间总和。

接下来分析行扫描控制过程，行扫描控制信号模式和场扫描控制信号模式必须一致，两者可采用低电平脉冲触发，也可以用高电平脉冲触发。本次设计采用高电平触发。每次行扫描过程需要1040个脉冲周期，其中有效显示像素的时间为800个像素周期，即分辨率为800X600。首先行扫描同步信号Hsync发出一个高电平脉冲，占据120个周期，即Hor sync time。之后是后沿消隐时间，占据64个时钟周期，所以显示要从第185个时钟周期开始，由于计数器从0开始，所以要从第184个计数周期开始写入像素数据。写入800组RGB数值，写到第984个时钟周期为止。场同步要从第29行扫描开始，到第629行扫描为止。

行同步和场同步计数器设计好后，要进行同步信号输出控制，即0—119时钟周期内进行高电平输出，从第120周期开始回归低电平，开始行同步控制。场同步要从0—5行进行高电平输出，开始场同步控制，第6行开始回归低电平。

之后要进行设计数据部分，设计思想就是确定画面中的主要显示点，即确定在第几行的第几点显示数据，判断显示数值的位置范围，其余部分为背景色，统一赋值。采用依次判断思想。

顶层模块，端口部分，共2个1位输入端口，分别是时钟和复位输入。输出端口，2个一位的输出端口，即行同步和场同步。一个三位的输出端口，即RGB信号输出端口，每条数据线上0表示不显示，1表示满色显示。RGB为000显示黑色，111显示白色。

2，部分核心代码分析

always@(posedge clk) 时钟上升沿触发

begin 顺序执行

if(rst) 复位

vcnt <= 0; 从0行开始执行

else if(vcnt==665) 整个场同步过程占据666行

vcnt <= 0;

else if(hcnt==1039) 当每行扫描完成，即经过1040个时钟周期后，加1 vcnt <= vcnt + 1;

end