通過FPGA對VGA進行控制實現(xiàn)任一彩色圖像顯示

引言

視頻圖形陣列顯示接口是微機系統(tǒng)使用的一種通用顯示接口，廣泛應用于智能控制系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的顯示終端.對于由嵌入式微處理器構成的圖像處理系統(tǒng)來說，采用VcA顯示輸出具有兼容性強.顯示內(nèi)容豐富的優(yōu)勢.同時，VGA顯示接口具有結構簡單.性能可靠.兼容性強.時序容易控制的特點.因此，結合FPGA的VGA圖像控制器，在嵌入式的圖像處理系統(tǒng)中有廣泛的應用前景.

目前大多數(shù)計算機與外部顯示設備之間都是通過模擬VGA接口連接，計算機內(nèi)部以數(shù)字方式生成的顯示圖像信息，被顯卡中的數(shù)字/模擬轉換器轉變?yōu)镽.G.B三原色信號和行.場同步信號，信號通過電纜傳輸?shù)斤@示設備中.

1 VGA顯示

常見的VGA接口的彩色顯示器，一般由cRT（陰極射線管）構成，色彩由R.G.B（紅：Red,綠：Green,藍：Blue）三基色組成.顯示采用逐行掃描的方式進行，即當掃描完一行時，再進行下一行的掃描，直到最后一行掃描完為止.VGA接口為顯示器提供兩類信號，一類是數(shù)據(jù)信號，一類是控制信號.

數(shù)據(jù)信號包括紅.綠.藍信號，簡稱RGB信號.控制信號包括水平同步信號（HSYNC）和垂直同步信號（VsYNc）.向顯示器輸出不同的分辨率時，水平同步信號和垂直同步信號的頻率也不同.但是水平同步信號和垂直同步信號時序分析相同，在掃描時均需要經(jīng)過同步信號.同步后信號.行同步信號.同步后信號四個時段.僅以水平同步信號為例，其結構如圖1所示.

VGA接口的顯示器原理其實就相當于點陣，通過控制器的控制，點亮所在的行和列.所以水平同步信號是針對列像素而言的，而垂直同步信號是針對行像素而言的.

以顯示800×600的圖片大小為例，根據(jù)VGA的時序標準，選擇6hz的刷新頻率.水平同步信號的同步信號包含128個列像素，同步后沿信號為88個列像素，同步前沿信號為40個列像素，而屏幕顯示部分為800個列像素，所以一共需要1 28+88+40+800=1 056個列像素.場同步信號的同步信號包含4個行像素，同步后沿信號包含23個行像素，同步前沿信號包含1個行像素，而屏幕顯示部分為600個行像素，所以一共需要4+23+l+600=628個行像素，由此，液晶顯示器顯示一幅800×600的圖像，需要的行列像素分別為1056和628.

2系統(tǒng)總體框架設計

本系統(tǒng)以FPGA EP2C8Q208C8為核心芯片，通過對VGA接口的控制，實現(xiàn)彩色圖像的顯示，系統(tǒng)結構框圖如圖2所示.

2.1鎖相環(huán)PLL

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（PLL），一種輸出一定頻率信號的振蕩電路，也稱為相位同步環(huán)（回路）.該回路利用使外部施加的基準信號與PLL回路內(nèi)的振蕩器輸出的相位差恒定的反饋控制來產(chǎn)生振蕩信號.在網(wǎng)絡領域中，PLL用于從接收的信號中分離出時鐘信號，可以通過實際電路或軟件的方式實現(xiàn).

由于FPGA的系統(tǒng)時鐘為50MHz,而控制VGA的時鐘為40MHz,所以在對VGA接口的控制時需要進行時鐘轉換，通常可以通過分頻或者是調用IP核的方式實現(xiàn)轉換，但是由于通過自己寫的分頻程序假如在數(shù)據(jù)上處理不得當，容易產(chǎn)生毛刺，而調用quanersII軟件自帶的PLL內(nèi)核，不僅可以做到與系統(tǒng)時鐘同相，而且時鐘穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)對VGA時序的嚴格控制，與硬件電路來實現(xiàn)鎖相環(huán)相比，調用PLJ.內(nèi)核不僅可以做到操作簡單，而且也節(jié)約了設計成本.

2.2存儲模塊ROM

只讀存儲（Read一0nly Memory,ROM）是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導體存儲器圈.在系統(tǒng)框圖中的三個ROM均用來存儲顏色信息，由于本設計中使用圖片的大小為128×128,即一共有128×128=16384個像素點，所以ROM的大小設置為16384.這里通過quanerII軟件調用FPGA的ROM內(nèi)核，將MATLAB提取的紅.綠.藍三基色數(shù)據(jù)經(jīng)quanusII軟件的處理，分別存入FPGA的ROMl.ROM2.ROM3中.在控制模塊中寫入ROM的地址，在分頻后的時鐘控制下，將數(shù)據(jù)讀到vGA的RGB三個引腳，實現(xiàn)液晶顯示器的圖片顯示.

2.3 MATLAB的數(shù)據(jù)提取

MATLAB作為強大的數(shù)據(jù)處理工具，其基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學工程中常用的表達形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用c,FORTRAN等語言簡捷得多。在新的版本中也加入了對C,FORTRAN,C++,JAVA的支持，可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導人MATIAB函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用，非常的方便.

由于MATLAB軟件中默認的圖片格式為。JPc和。BNP,因此在使用MATLAB前需將原始圖片通過Photo sh叩軟件進行格式轉換，轉換后保存圖片為。BMP格式，在彈出的位寬選擇對話框選擇24位，然后再通過MATLAB提取紅基色數(shù)據(jù)，程序如下所示，結果被保存在Red.mif文件里：

由于本設計所使用的VGA是三位的數(shù)據(jù)接口，因此藍基色和綠基色數(shù)據(jù)也按照此方法提取.Red.mif中的數(shù)據(jù)是24位的，所以還需要對提取到的紅基色數(shù)據(jù)進行轉換.在MATLAB中做如下判斷將24位數(shù)據(jù)轉換為3位數(shù)據(jù).

3結果分析

圖像的顯示如圖3所示，顯示結果表明，由于原圖像是24位，即224種顏色，而FPGA控制的VGA只有3位即23種顏色，相比之下，以24位的圖像作為標準，VGA顯示的3位圖像有明顯失真的現(xiàn)象.

如果希望顯示的圖像更加清晰，那么需要將vGA的顯示接口重新作出電路修改，這樣才能達到清晰顯示的效果.

4結束語

在許多圖像處理系統(tǒng)中，需要將經(jīng)過處理的圖像顯示出來，如果采用傳統(tǒng)的辦法將圖像數(shù)據(jù)傳回電腦并通過顯示器顯示出來，那么在傳輸?shù)倪^程中就需要嵌入式系統(tǒng)的CPU不斷的對所傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)信號進行控制，這樣就造成了CPU資源的浪費，同樣系統(tǒng)還需要依賴電腦，降低了系統(tǒng)的靈活性.如果采用FPGA對顯示器的VGA接口進行設計，數(shù)據(jù)流只需要在整個系統(tǒng)的內(nèi)部流動，而不需要依靠計算機，實現(xiàn)了系統(tǒng)的最小化，大大減少了電路板的尺寸，增強了系統(tǒng)的可靠性和設計的靈活性.

VGA接口同樣也是LCD液晶顯示設備的標準接口，通過VGA控制LCD可以使整個系統(tǒng)變得小巧，攜帶方便，使得應用的范圍大大擴展.作者所在的全景視覺圖象處理項目中，正是需要把經(jīng)過處理的圖像實時地直接地顯示出來，撇開對計算機的需求，以滿足各種不同應用環(huán)境的需要.

通過FPGA對VGA接口的控制，不僅實現(xiàn)了FPGA對任一圖像的顯示，而且其內(nèi)部時鐘可調性為設計帶來了很大的方便，節(jié)約了硬件成本.此方案可以廣泛應用于數(shù)字視頻系統(tǒng).高分辨率的彩色圖片圖像處理.視頻信號再現(xiàn)等各種領域.