基于FPGA的用VHDL語言描述的顯示控制器設(shè)計

隨著CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器制造工藝的發(fā)展，圖像傳感器的分辨率越來越高，如果要實時顯示圖像傳感器采集到的圖像，則要求圖像處理芯片有較高的運行速度，但由于需要處理的數(shù)據(jù)量太大，一般的數(shù)字信號處理器很難直接輸出分辨率為1024×768，幀頻為60 Hz的標準XGA信號。這就需要對DSP輸出的圖像數(shù)據(jù)進行處理，使圖像能夠在VGA顯示器上實時顯示。市場上雖然也有一些專門圖像處理芯片，但其價格昂貴，且應(yīng)用于特殊場合。本文設(shè)計的顯示控制器可以達到提升幀頻的功能，可使輸入分辨率為1024×768，幀頻為7.5HZ的YCbCr（4:2：2）圖像信號提升到幀頻為60HZ，并通過色空間轉(zhuǎn)換，將YCbCr（4:2：2）圖像信號轉(zhuǎn)換成RGB格式的標準XGA信號，同時產(chǎn)生符合VESA標準的XGA格式的行、場同步信號，輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可直接輸出到VGA接口，從而可使圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)能夠在VGA顯示器上實時顯示。

隨著微電子技術(shù)及其制造工藝的發(fā)展，可編程邏輯器件的邏輯門密度越來越高，功能也越來越強，由于FPGA器件的可并行處理能力及其可重復(fù)在系統(tǒng)編程的靈活性，其應(yīng)用越來越廣泛。隨著微處理器、專用邏輯器件、以及DSP算法以IP核的形式嵌入到FPGA中，F(xiàn)PGA可實現(xiàn)的功能越來越強，F(xiàn)PGA在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中正發(fā)揮著越來越重要的作用。本文設(shè)計的顯示控制器就是用VHDL語言描述，基于FPGA而實現(xiàn)的。該系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1 顯示控制器的設(shè)計

1.1 工作原理

圖像傳感器采集到的原始圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換及DSP處理后，生成每秒7.5幀的圖像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是分辨率為1024×768的YCbCr（4:2：2）格式的16位圖像數(shù)據(jù)。DSP輸出到FPGA的信號有象素時鐘，行、場參考，圖像數(shù)據(jù)。FPGA在輸入的行、場參考都有效時，在輸入象素時鐘的同步下，接收圖像數(shù)據(jù)，并送入到SDRAM中， 同時從另一個SDRAM 中讀取數(shù)據(jù)，并通過色空間轉(zhuǎn)換，將YCbCr（4:2：2）信號轉(zhuǎn)換成RGB信號。當(dāng)SDRAM 中寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)時，控制器對兩個SDRAM進行讀、寫切換。由于寫數(shù)據(jù)速率小于讀數(shù)據(jù)速率，所以在往一個SDRAM寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)的時間內(nèi)，控制器能夠連續(xù)多次從另一個SDRAM中讀出另一幀圖像數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了提高幀頻的目的。FPGA輸出的RGB格式數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，配合行、場同步信號可使其在VGA顯示器上顯示。外部晶振輸入32.5MHZ的時鐘，該時鐘在FPGA內(nèi)經(jīng)時鐘鎖相環(huán)倍頻后產(chǎn)生65MHZ的主時鐘，用于對兩個SDRAM進行讀寫和用來產(chǎn)生符合VESA標準的XGA格式的行、場同步信號。

1.2 控制器的內(nèi)部模塊介紹

本設(shè)計采用模塊化設(shè)計原則，按照現(xiàn)代EDA工程常用的“自頂向下“的設(shè)計思想，進行功能分離并按層次設(shè)計，用VHDL語言實現(xiàn)每個模塊的功能。該顯示控制器主要由以下七個功能模塊組成：

用于從DSP接收數(shù)據(jù)的輸入緩沖模塊

用于對兩個SDRAM進行讀寫切換的主控制器模塊

SDRAM1的控制器模塊

SDRAM2的控制器模塊

用于產(chǎn)生標準XGA格式的時序發(fā)生器模塊

用于從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)并配合行、場同步輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖模塊

用于將YCbCr（4:2：2）轉(zhuǎn)換成RGB格式的色空間轉(zhuǎn)換模塊。

該顯示控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。上電后，顯示控制器首先對兩片SDRAM進行初始化，初始化結(jié)束后，其它模塊才開始工作。下面將詳細介紹各個模塊的功能及設(shè)計思想。

圖2 顯示控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)輸入緩沖模塊

數(shù)據(jù)輸入緩沖模塊為深度為1024、寬度為16bit的異步FIFO （先進先出），寫時鐘為DSP輸出的12MHZ的象素時鐘，讀時鐘為經(jīng)時鐘鎖相環(huán)倍頻后的65MHZ的主時鐘，通過場下降沿檢測，來確保從一幀開始時接收數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入的原始圖像數(shù)據(jù)的行、場參考信號都有效時，該FIFO的寫使能有效，在輸入象素時鐘的同步下，開始接收數(shù)據(jù)，寫地址計數(shù)器為0到1023的循環(huán)計數(shù)器，當(dāng)其計數(shù)到511或1023時，給主控制器發(fā)讀信號，主控制器隨后產(chǎn)生FIFO的讀使能信號，使讀使能信號在連續(xù)的512個讀時鐘周期內(nèi)一直有效，即可連續(xù)讀出512個數(shù)據(jù)。由于讀時鐘頻率大于寫時鐘頻率，所以不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)寫滿溢出的現(xiàn)象。

1.2.2 主控制器模塊

該模塊為顯示控制器的主要控制部分，通過對輸入緩沖的讀請求信號和輸出緩沖的寫請求信號處理，來實現(xiàn)對兩個SDRAM的讀、寫切換。上電后，該模塊接收從輸入緩沖中讀出的數(shù)據(jù)并將其寫入到SDRAM 1中，同時從SDRAM2中讀出數(shù)據(jù)，送入到輸出緩沖中，當(dāng)然最初讀出的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。當(dāng)SDRAM1中寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)，即1024×768個有效數(shù)據(jù)后，該模塊對兩個SDRAM進行讀、寫切換，即將接收數(shù)據(jù)寫入到SDRAM2中，同時從SDRAM 1中讀出數(shù)據(jù)，一直按此規(guī)則進行讀、寫切換。兩個SDRAM的讀、寫地址發(fā)生器靠主控制器內(nèi)部的計數(shù)器來實現(xiàn)。

1.2.3 SDRAM控制器模塊

該模塊首先完成對SDRAM 的初始化，初始化過程為：上電后等待200 us，然后對所有BANK發(fā)預(yù)充命令，接著發(fā)出八個自動刷新命令，然后進行模式設(shè)置，模式設(shè)置時將SDRAM設(shè)置成連續(xù)的全頁并發(fā)模式，即512并發(fā)。

初始化結(jié)束后，SDRAM進入正常工作狀態(tài)，準備接收讀、寫命令。當(dāng)SDRAM在空閑狀態(tài)下，為保持其數(shù)據(jù)不丟失，必須對其進行定時刷新，一般要求64ms內(nèi)刷新4096次，通常根據(jù)時鐘頻率，用計數(shù)器計時鐘脈沖到15.625 us時，發(fā)自動刷新命令，但是當(dāng)SDRAM在進行讀、寫進發(fā)時，自動刷新命令會打斷讀、寫，從而造成數(shù)據(jù)丟失。該設(shè)計中，由于在64ms內(nèi)對SDRAM至少進行4096次讀、寫操作，所以可以不必對其進行刷新。

由于SDRAM被設(shè)置成全頁并發(fā)，預(yù)充命令可停止并發(fā)，所以當(dāng)SDRAM讀、寫到511時，發(fā)出預(yù)充命令，來停止并發(fā)，同時關(guān)閉當(dāng)前行，為下一次讀、寫作好準備。SDRAM初始化后，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 SDRAM初始化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1.2.4 時序發(fā)生器模塊

該模塊為輸出行、場同步產(chǎn)生模塊，利用FPGA內(nèi)部時鐘鎖相環(huán)倍頻后的65MHZ的主時鐘產(chǎn)生符合VESA標準的分辨率為1024×768、幀頻為60HZ的標準XGA格式的行、場同步信號，同時在行、場參考信號都有效時產(chǎn)生一個信號給輸出緩沖模塊，作為輸出緩沖的讀使能信號。根據(jù)VESA標準，分辨率為1024×768、幀頻為60HZ的標準XGA信號的象素時鐘為65MHZ，行同步信號的有效時間相當(dāng)于1024個象素時鐘周期，同步頭寬度相當(dāng)于136個象素時鐘周期，前肩寬度為相當(dāng)于26個象素時鐘周期，后肩寬度為相當(dāng)于162個象素時鐘周期。場同步信號的有效時間相當(dāng)于768個行周期長度，同步頭為6個行周期長度，前肩為3個行周期長度，后肩為29個行周期長度。根據(jù)此標準，當(dāng)行、場參考信號都有效時，一幅圖像可輸出1024×768個有效數(shù)據(jù)。該模塊的時序仿真波形如圖4所示。

1.2.5 輸出緩沖模塊

該模塊為深度為1024、寬度為16bit的異步FIFO（先進先出），寫時鐘和讀時鐘同為65MHZ的主時鐘，SDRAM初始化結(jié)束后，該模塊先從SDRAM2中讀出1024個數(shù)據(jù)，然后才使時序發(fā)生器模塊開始工作，當(dāng)讀使能有效時，在讀時鐘同步下，讀地址計數(shù)器從0到1023循環(huán)計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器計到100或700時，該模塊向主控制器模塊發(fā)寫請求命令，從而每次可從SDRAM中連續(xù)讀出512個數(shù)據(jù)，由于在輸出行、場消隱期間，讀使能信號無效，所以，不會產(chǎn)生讀空現(xiàn)象。

1.2.6 色空間轉(zhuǎn)換模塊

輸出緩沖模塊輸出YCbCr（4:2：2）格式的信號，其輸出順序如表1所示。本設(shè)計采用臨近插值法，插值后的YCbCr格式如表2所示。

表1 YCbCr（4:2：2）圖像格式 Y0Cb0 Y1Cr0 Y2Cb2 Y3Cr2 Y4Cb4 Y5Cr4 ……

表2 插值后的YCbCr圖像格式 Y0Cb0Cr0 Y1Cb2Cr0 Y2Cb2Cr2 Y3Cb4Cr2 Y4Cb4Cr2 ……

YCbCr色空間到RGB色空間的轉(zhuǎn)換公式為：

其中Y的范圍是（16，235），Cb、Cr的范圍是（16，240），為了防止相減后為負出現(xiàn)溢出，對轉(zhuǎn)換公式變形得：

用VHDL語言描述小數(shù)乘法時，通常是將小數(shù)擴大2的整數(shù)冪次方倍后，取整進行乘法運算，然后將結(jié)果進行移位操作。當(dāng)需要對運算結(jié)果進行四舍五入時，可以在運算時加0.5，然后對運算結(jié)果取整。下面將對R的運算過程進行描述，運算精度取11位。

R=（1.164Y+1.596Cr）-222.912+0.5

= （1.164Y+1.596Cr）-222.412

= （1/211） ［（2384Y+3296Cr）-455499］

將方括號中的運算結(jié)果右移11位，即可得到R的值。Cb、Cr的運算過程與此類似。

色空間轉(zhuǎn)換模塊輸出24bit RGB（8:8：8）信號，該信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，配合時序發(fā)生器模塊產(chǎn)生的行、場同步信號，即可在VGA顯示器上顯示。

色空間轉(zhuǎn)換模塊之所以放在輸出緩沖模塊后，主要是為了減少輸入緩沖和輸出緩沖模塊中的先進先出及SDRAM的存儲空間，如在相同精度下，SDRAM存儲一幀圖像將會占用1024×768×24bit的存儲空間，色空間轉(zhuǎn)換模塊放在輸出緩沖模塊后，將會減少1/3的存儲空間。

2 顯示控制器的硬件實現(xiàn)

該顯示控制器是基于Xilinx公司的Spartan-IIE系列FPGA XC2S300E-6-PQ208C設(shè)計實現(xiàn)的。此FPGA邏輯資源豐富，其內(nèi)有30萬個系統(tǒng)門，6912個邏輯單元（LC），1536個可配置邏輯快（CLB），64Kbit的塊RAM，146個可用的I/O口，4個數(shù)字延遲鎖相環(huán)（DLL）。塊RAM可實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲，延遲鎖相環(huán)可對時鐘進行管理，可自動調(diào)整并消除輸入時鐘與FPGA內(nèi)部時鐘之間的相位偏移，同時還可實現(xiàn)對時鐘的分頻、倍頻和移相。

用于幀緩存的兩個SDRAM 的型號為HY57V281620HCST，此SDRAM 為Hynix公司生產(chǎn)的高速存儲器，其內(nèi)有四個Bank，每個Bank的存儲空間為2M×16bit，可應(yīng)用于需存儲大量數(shù)據(jù)的場合。

3 結(jié)論與展望

本文設(shè)計的顯示控制器具有很強的靈活性，當(dāng)輸入圖像格式改變時，只需在色空間轉(zhuǎn)換模塊做相應(yīng)修改，便可實現(xiàn)不同格式圖像的VGA顯示。基于該顯示控制器而研發(fā)的高分辨率監(jiān)控攝像機、數(shù)字視頻展臺等產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用在教育、銀行、煤礦、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。