基于FPGA的VGA图像显示控制器设计

基于FPGA的VGA图像显示控制器设计

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一．实验简介

本实验介绍了一种利用可编程逻辑器件实现VGA图像显示控制的方法，阐述了VGA 图像显示控制器中VGA显像的基本原理以及功能演示，利用可编程器件FPGA设计VGA 图像显示控制的VHDL设计方案，并在Altera公司的QuartusII软件环境下完成VGA 模块的设计。而且给出了VGA模块的设计思路和顶层逻辑框图。最终实现VGA图像显示控制器，VGA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是在图像数据传输到计算机，并通过显示屏显示出在传输过程中，将图像数据的CPU需要不断的信号控制，所以造成CPU的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性。FPGA芯片和EDA设计方法的使用，可根据用户的需求，为设计提供了有针对性的VGA显示控制器，不需要依靠计算机，它可以大大降低成本，并可以满足生产实践中不断改变的需要，产品的升级换代和方便迅速。

二．任务要求

2.1课题要求

设计一个VGA 图像显示控制器。

1.显示模式为640×480×60Hz 模式；

2.用拨码开关控制R、G、B（每个2 位），使显示器可以显示64 种纯色；

3.在显示器上显示横向彩条信号（至少6 种颜色）；

4.在显示器上显示纵向彩条信号（至少8 种颜色）；

5.在显示器上显示自行设定的图形、图像等。

2.2设计目标

根据课题要求，实验中将目标进行了细化，叙述如下：

1.设定4种显示模式：横彩模式、纵彩模式、纯色模式、用户模式；

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2.拨码开关最低两位SW1～SW0控制4种模式的切换；

3.拨码开关高6位SW7～SW2每两位分别控制RGB显示64种纯色；

4.横向和纵向彩条均设置为8种内置的颜色；

5.用户模式中分3种子模式：

1)子模式1是沿固定轨迹运动模式，固定图形沿水平方向运动，行运动到边界后折回到下一行继续水平

运动；

2)子模式2是反弹球模式，固定图形在矩形屏幕做内直线运动，到边界后沿反射角方向反弹，周而复始；

3)子模式3是受控运动模式，使用上下左右4个按键控制固定图形在屏幕内的运动方向；

4)子模式间的切换由一个单独的按键进行控制，按键按下后顺序切换子模式。

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三．实验内容

3.1 VGA概述

伴随着市场上液晶显示器的出现，越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端，不过基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器。如果想要驱动此类显示器，必须得有很高的扫描频率，以及极短的处理时间，综合诸多特点需要，所以选用FPGA来实现对VGA显示器的驱动。本次毕业设计即选用FPGA来实现VGA的显示。

现在，基于FPGA的设计方案越来越被用于更多的嵌入式系统，在基于FPGA 的大规模嵌入式系统设计中，为了更好的实现VGA显示功能，既能使用专用的VGA 接口芯SPX7111A等，又可以设计和使用基于FPGA的VGA接口软核，其优点在于能使用VGA专用芯片具有更稳定的VGA时序和更多的显示模式可供选择。此外设计和使用VGA接口软核更具有以下几点优势：

◆使用芯片更少，节省板上资源，布线难度大大减少。

◆当高速数据进行传输时，减少高频噪声干扰。

◆采用FPGA（现场可编程门阵列）设计的VGA接口可以将要显示的数据直接

传送到显示器，跳过计算机的处理过程，加快了数据的处理速度，从而

有利的节约硬件成本。

◆整体设计费用降低，产品更具有价格优势。现代EDA软件发展迅速，设计、

仿真更容易实现，量化设计中各个环节，使得设计周期日益缩短。

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3.1.1 VGA显示技术的发展概况

VGA接口，它是一种被广泛应用的标准显示接口，大多数的显卡和显示器之间，以及二色等离子的电视输入图像模数的转换上使用了VGA接口。它同样还被用于LCD的液晶显示设备，随着微电子制造工艺的发展，可编程逻辑器件也取得了长久的进步，早期的元器件只可以存储很少的数据，逻辑功能实现更为简单，然而发展至今，其完成的逻辑功能相对复杂，规模更大，速度更快，功耗更低！现阶段可编程逻辑器件主要有两大类，现场可编程逻辑器件（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

FPGA的运行速度快，管脚资源更加丰富，大规模的系统设计的实现相对简单，大量软核可供使用用，有利于二次开发使用，不仅如此，而且FPGA具备可重构的能力，抗看等特点。因此，工业控制及其他领域也更加重视使用FPGA，利用FPG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、功耗低的格式嵌入式系统（便携式设备或手持设备），应用地面勘测，性能检测等方面，具有重要的现实意义[1]。本设计在FPGA开发板上使用VGA接口的显示器显示彩条及简单的图形，可以成为整个采集系统的参考设计，实用价值良好。

3.1.2 VGA显示接口

VGA接口是一种D型接口，上面共有15针孔，分成三排，每排五个。其中，除了2根NC（Not Connect)信号、3根显示数据总线和5个GND信号，比较重要的是3根RGB彩色分量信号和2根扫描同步信号HSYNC和VSYNC针[2]。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。其排列及接口定义如图1.2-1所示:

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图1.2-1 VGA接口图

在基于FPGA的VGA控制中，只需要考虑行场同步信号(Vs)、同步信号(Hs)、蓝基色(R)、红基色(B)、绿基色(G)这5个信号。一旦能够从FPGA发出这5个信号到VGA接口，就表示可以实现对VGA的控制。

3.1.3 VGA显示原理

VGA显示的图像原理：常见之彩色显示器，一般由CRT(即：阴极射线管)构成。彩色则由R，G，B(红：RED，绿：GREEN，蓝：BLUE这三基色够成。显示则采取逐行扫描得方式解决，使得从阴极射线枪中发出的电子束得以打在具有荧光粉得荧光屏上，产生R，G，三基色的彩色像素。扫描随即开始从屏幕的左上方进行，从左到右，从上到下，进行扫描，每扫完了一行，电子束则返回于屏幕左边下面一行的初始位置，在这期间，CRT把电子束消隐了，每行完成结束时，行同步则采用行同步信号进行，扫描完所有行;场同步则采用场同步信号进行，并使扫描回到屏幕的左上方，同时场消隐进行，准备下一场的扫描。它的行、场扫

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