基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)

VGA(視頻圖形陣列Video Graphics Array)是IBM在1987年隨PS／2機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
目前 VGA技術(shù)的應(yīng)用還主要基于 VGA顯示卡的，而在一些既要求顯示彩色高分辨率圖像又不使用計(jì)算機(jī)的設(shè)備上，VGA技術(shù)的應(yīng)用卻很少。本文對(duì)基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。
基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)，可以在不使用 VGA顯示卡的情況下實(shí)現(xiàn) VGA圖像的顯示和控制。該系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)。 1 基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)介
通用 VGA顯示卡系統(tǒng)主要由控制電路、顯示緩存區(qū)和視頻 BIOS程序三個(gè)部分組成。其控制電路主要完成時(shí)序發(fā)生、顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作等功能；顯示緩沖區(qū)提供顯示數(shù)據(jù)緩存空間；視頻BIOS作為控制程序固化在顯示卡的 ROM中。在基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以使用很少的資源，就產(chǎn)生 VGA各種控制信號(hào)，達(dá)到顯示彩色高分辨率圖像的要求，而不需用 VGA顯示卡和計(jì)算機(jī)設(shè)備。圖 1是基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖中FPGA采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672C這款 FPGA.Cyclone II器件采用 90nm、低 K值電介質(zhì)工藝，通過(guò)使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。EP2C35F672C該芯片提供了 33216個(gè)邏輯單元 ,包括了嵌入式 18*18位乘法器、專(zhuān)用外部存儲(chǔ)器接口電路、 4KB嵌入式存儲(chǔ)器件、4個(gè)鎖相環(huán)和高速差分 I/O等功能。該芯片的工作頻率和引腳 IO等資源都能很好的滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求.FPGA的工作時(shí)鐘為 54MHz。
VGA接口芯片采用了 ADV7125，該芯片是美國(guó) ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz四個(gè)等級(jí)。ADV7125在單芯片上整合了三組 8位高速 D／A轉(zhuǎn)換器，可以分別處理紅、綠、藍(lán)視頻數(shù)據(jù)，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速 D／A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用系統(tǒng)。 ADV7125的輸入及控制信號(hào)非常簡(jiǎn)單：3組 8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對(duì)應(yīng) RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標(biāo)準(zhǔn) TTL電平接口；4條視頻控制信號(hào)線(xiàn)包括復(fù)合同步信號(hào) SYNC、消隱信號(hào) BLANK、白電平參考信號(hào) REF WHITE和像素時(shí)鐘信號(hào) CLOCK；外接一個(gè) 1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和 1個(gè)輸出滿(mǎn)度調(diào)節(jié)。只有 4條輸出信號(hào)線(xiàn)：模擬 RGB信號(hào)采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅(qū)動(dòng) 75同軸傳輸線(xiàn)。

2模塊劃分與模塊功能定義
FPGA中包含了四個(gè)工作模塊： VGA時(shí)序發(fā)生器模塊、VGA圖像顯示調(diào)色板模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)控制器。由于 ADV7125內(nèi)部沒(méi)有顏色的轉(zhuǎn)換器 ,所以當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)為 YUV信號(hào)時(shí)，就要把 YUV信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RGB信號(hào),這一功能就是由 VGA圖像顯示調(diào)色板模塊完成的，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)為 RGB信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)?ADV7125，不需調(diào)色板進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)控制器解決了顯示數(shù)據(jù)的來(lái)源和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。用 FPGA對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和整理，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路需要的各種控制波形由視頻控制器對(duì)顏色緩沖器進(jìn)行掃描，其中視頻控制器可以讀取像素顏色，用這些顏色來(lái)控制輸出設(shè)備的亮度。