电子设计自动化课程设计报告

电子设计自动化课程设计报告

电子设计自动化课程设计报告

学生姓名：

学号：

课设题目： VGA彩条信号显示控制器设计同组人：

电子设计自动化课程设计报告

郝欣欣

一、课程设计内容

1、使用Verilog语言和Modelsim仿真器完成可显示横彩条、竖彩条、棋盘格相间的VGA控制器的设计和验证

2、设计并验证可显示英语单词”HIT”的VGA 控制器

3、使用Quartus II和SOPC实验箱验证设计的正确性

4、Verilog代码要符合微电子中心编码标准

二、FPGA原理

CPLD、FPGA是在PAL、GAL等基础上发展起来的一种具有丰富的可编程I/O 引脚、逻辑宏单元、门电路以及RAM空间的可编程逻辑器件，几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。CPLD的设计是基于乘积项选择矩阵来实现的，而FPGA基于查找表来设计的。查找表就是实现将输入信号的各种组合功能以一定的次序写入RAM中，然后在输入信号的作用下，输出特定的函数运算结果。其结构图如图1所示：

图1. FPGA查找表单元

一个N输入查找表(LUT，Look Up Table)可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如N输入“与”、N输入“异或”等。

输入多于N个的函数、方程必须分开用几个查找表（LUT）实现（如图2

所示）。

图2 FPGA查找表单元内部结构

该系统设计中，FPGA芯片用的是ALTERA公司的EP1K30QC208-2，它的系统结构如图3所示。它由若干个逻辑单元和中央布线池加I/O端口构成

图3 EP1K30QC208内部结构

三、VGA接口

VGA的全称为Video Graphic Array，即显示绘图阵列。在PC行业发展的初期，VGA以其支持在640X480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320X240分辨率下可以同时显示256种颜色的良好特性得到广泛支持。后来，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA(Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会)的Super VGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。

图4 VGA接口

VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口，也叫D-Sub接口。VGA接口是一种D型接口，上面共有15针空，分成三排，每排五个。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口。

表1 VGA管脚定义

管脚定义

1 红基色 red

2 绿基色 green

3 蓝基色 blue

4 地址码 ID Bit

5 自测试 (各家定义不同)

6 红地

7 绿地

8 蓝地

9 保留(各家定义不同)

10 数字地

11 地址码

12 地址码

13 行同步

14 场同步

15 地址码 (各家定义不同)

通过模拟VGA接口和计算机连接的显示器的工作原理，是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，驱动控制显像管生成图像。而对于LCD、DLP等数字显示设备，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。CRT显示器因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，也就是我们为什么在CRT显示器上只看到VGA接口的原因。

四、VGA显示接口原理

计算机显示器的显示有许多标准，常见的有VGA、SVGA等。本系统采用FPGA 来实现图像显示控制器，这在产品开发设计中有许多实际应用。

常见的彩色显示器，一般由CRT（阴极射线管）构成，彩色是由G、R、B（绿：Green，红：Red，蓝：Blue）三基色组成。显示是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三基色，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，进行扫描，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，预备下一场的扫描。

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

对于5个信号的时序驱动，对于VGA显示器要严格遵循“VGA工业标准”，即640×480×60Hz模式。通常我们用的显示器都满足工业标准，因此我们设计VGA控制器时要参考显示器的技术规格。

图5是VGA行扫描、场扫描的时序图：

图5 VGA行扫描、场扫描时序图

表2 VGA参考时序设计

VGA工业标准所要求的频率：

时钟频率（Clock frequency）：25.175MHz（像素输出的频率）；

行频（Line frequency）：31469Hz；

场频（Field frequency）：59.94Hz（每秒图像刷新频率）。

五、FPGA的设计实现

设计VGA图像显示控制需要注意两个问题：一个是时序的驱动，这是完成设计的关键，时序稍有偏差，显示必然不正常，甚至会损坏彩色显示器；另一个是VGA信号的电平驱动。

显示控制器设计提示：显示器的技术规格提供的行频一般都满足在