基于FPGA的VGA圖象信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口在視頻和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA圖像信號(hào)發(fā)生器是電視臺(tái)、電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、電視維修人員常用的儀器，其主要功能就是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的圖像測(cè)試信號(hào)。

　　VGA圖像信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)涉及到圖像數(shù)據(jù)的處理，對(duì)電路的工作速度和性能要求較高，VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)鐘頻率高達(dá)25MHz，使用傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)方法是難以實(shí)現(xiàn)的。采用專用的視頻處理芯片，其設(shè)計(jì)技術(shù)難度大、開發(fā)成本高。本文采用FPGA＋MCU方案，利用了Cyclone系列的FPGA高達(dá)上百兆的工作頻率特性為圖像數(shù)據(jù)處理提供了良好的實(shí)時(shí)性，其內(nèi)部集成的數(shù)字鎖相環(huán)為系統(tǒng)的工作時(shí)鐘提供的良好的穩(wěn)定性，其內(nèi)部嵌入的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)一定容量的圖像信息，豐富的I/O資源可以隨即擴(kuò)展外接大容量存儲(chǔ)器的特性，因此由 FPGA完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理及產(chǎn)生行場(chǎng)掃描時(shí)序信號(hào)。很好地實(shí)現(xiàn)了圖象數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，達(dá)到了性能與價(jià)格的完美統(tǒng)一。此外，F(xiàn)PGA的電路可重構(gòu)性，為系統(tǒng)功能更改和升級(jí)以及功能擴(kuò)展提供了很大的設(shè)計(jì)空間。由微控制器完成功能設(shè)置與控制，如鍵盤掃描，模式選擇與顯示控制等。

　　2、系統(tǒng)的工作原理和組成框圖

　　FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過對(duì)其編程可輸出RGB三基色信號(hào)和HS 、VS行場(chǎng)掃描同步信號(hào)。當(dāng) FPGA接受單片機(jī)輸出的控制信號(hào)后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器模塊根據(jù)控制信號(hào)選通相應(yīng)的圖像生成模塊，輸出圖像信號(hào)，與行場(chǎng)掃描時(shí)序信號(hào)一起通過15針D型接口電路送入VGA顯示器，在VGA顯示器上便可以看到對(duì)應(yīng)的彩色圖像。FPGA所需的工作時(shí)鐘由外部高精度有源晶振提供；單片機(jī)控制器分析鍵盤掃描結(jié)果，控制液晶顯示模塊顯示相應(yīng)的功能，由LCD顯示輸出圖象和按鍵控制模式，并送出相應(yīng)控制信號(hào)給FPGA，系統(tǒng)原理框圖如圖1。

　　3、VGA顯示器原理

　　工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示模式為：640×468×16色×60Hz。常見的彩色顯示器，一般由CRT （陰極射線管）構(gòu)成，彩色是由R、G、B（紅、綠、藍(lán)）三基色組成，CRT用逐行掃描或隔行掃描的方式實(shí)現(xiàn)圖像顯示，由VGA控制模塊產(chǎn)生的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)控制陰極射線槍產(chǎn)生的電子束，打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生R、G、B三基色，合成一個(gè)彩色像素。掃描從屏幕的左上方開始，由左至右，由上到下，逐行進(jìn)行掃描，每掃完一行，電子束回到屏幕下一行的起始位置，在回掃期間，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束是用行同步信號(hào)HS進(jìn)行行同步；掃描完所有行，再由場(chǎng)同步信號(hào)VS進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時(shí)進(jìn)行場(chǎng)消隱，預(yù)備下一場(chǎng)的掃描。行同步信號(hào)HS 和場(chǎng)同步信號(hào)VS是兩個(gè)重要的信號(hào)。顯示過程中，HS 和VS的極性可正可負(fù)，顯示器內(nèi)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為正極性邏輯。

　　行同步信號(hào)HS和場(chǎng)同步信號(hào)VS的時(shí)序圖如圖2所示， T1為行同步消隱（約為6μs）；T2為行顯示時(shí)間（約為26μs）；T3為場(chǎng)同步消隱（兩個(gè)行周期）；T4為場(chǎng)顯示時(shí)間（480個(gè)行周期）。

　　行同步信號(hào)HS和場(chǎng)同步信號(hào)VS與圖象信號(hào)R、G、B的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

　　對(duì)于VGA 顯示器的上述五個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640×480×60HZ模式，否則無法顯示正確地圖象。

　　VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率：

　　時(shí)鐘頻率：25.175MHz（像素輸出的頻率）

　　行頻： 31469Hz

　　場(chǎng)頻： 59.94Hz（每秒圖像刷新頻率）

　　圖象信號(hào)顯示的顏色種類與表示R、G、B三基色的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)有關(guān)，表1列出了8種顏色的編碼方式。