FPGA VGA显示接口的研究与设计.doc

基于FPGA的VGA显示接口的研究与设计
陈姚节卢建华
（武汉科技大学计算机学院开放性实验室430081）
摘要：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。依据VGA显示的原理，“抛弃”VGA显示专用芯片，利用FPGA(现场可编程门阵列)设计VGA接口对于更深入学习接口技术有很大的帮助，同时可以将要显示的数据直接送到显示器上显示，省去了计算机的处理过程，能加快数据的处理速度和节约硬件成本。
关键词：FPGA,VGA,显示接口
中图分类号：TP365.1
一、FPGA的原理[2]
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，LookUpTable)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2FPGA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3EP1K30QC208内部结构
二、VGA显示接口原理[3]
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4是VGA行扫描、场扫描的时序图：

图4VGA行扫描、场扫描时序图
VGA工业标准所要求的频率：
时钟频率（Clockfrequency）：25.175MHz（像素输出的频率）；
行频（Linefrequency）：31469Hz；
场频（Fieldfrequency）：59.94Hz（每秒图像刷新频率）。
三、FPGA的设计实现[1]
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30-45KHz（保守数据），场频一般满足在50-75Hz（保守数据），针对以上保守数据，我们以30KHz的行频进行扫描时所需时钟频率为：30KHz×800（行周期）=24MHz,则场频为：30KHz÷525（场周期）=57.14Hz，针对实验箱的条件，可以用12MHz的信号经过倍频（EP1K30QC208-2芯片特有的功能，在MaxPlusII软件中调用参数可设置兆功能元件库mega_lpm的CLKLOCK元件来倍频）来产生24MHz的时钟频率，参考设计的顶层文件如下图所示：
图5.VGA接口实现顶视图
VGACORE模块包含了扫描时序产生模块、图像描述模块。时序产生模块的设计可参考图40-1所示来设计，图像描述模块主要通过640×480个像素点来描述图像。如本项设计的彩条信号发生器可通过图像描述模块产生如下表所示的3种显示模式，共6种显示变化的图像。
表1VGA图形编码
1行彩条1：白黄青绿品红蓝黑2：黑蓝红品绿青黄白2竖彩条1：白黄青绿品红蓝黑2：黑蓝红品绿青黄白3棋盘格1：棋盘格显示模式12：棋盘格显示模式2上表颜色对应的编码为：
表2VGA颜色编码
颜色黑蓝红品绿青黄白G00001111R00110011B010