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基于FPGA的VGA显示控制器的实现

时间:2011-04-10


基于FPGA的VGA湿示控制器的实现孙艳,等

基于FPGA的VGA显示控制器的实现
(兰州交通大学电子与信息工程学院 (‘兰州交通大学实验室管理处 孙艳,孙爱良‘,王紫婷 甘肃兰州,730070) 甘肃兰州,730070)

摘要:VGA作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。本论文依据VGA接口设计原理,采用VHDL语言以及Altera
公司的Cyclone系列FPGA进行VGA显示控制器的设计,最后给出了Ouartus II的仿真结果。 关键词:VGA;FPGA:VHDL;Ouartus II

Abstract:舳a standard
Quanus II is given.

display interface,VGA has been widely used.According to the designing principle ofVGA interface,

Use VttDL and the FPGA ofCompany AJter’s series Cylone to design the VGA display controller.At last,the simulating resuh of

Keywords:VGA;FPGA;VHDL;QuartusⅡ 中图分类号:TP332.3

文献标识码:^

文章编号:1001—9227(2008)06-0106-02

0引言
VGA(Video Graphic Array)接口是与显示器进行通

一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置,在这期间 对电子束进行行消隐,每行结束时,用行同步信号进行行同

信的唯。‘接口。通过FPGA器件控制RGB信号、行同步信号、
场同步信号等信号,并参照有关标准,最后可以实现对VGA 显示器的控制。vGA图像控制器是一个较大的数字系统,传 统的图像显示方法是将图像数据传回电脑并通过显示器显示 出来,在传输的过程中就需要CPU不断地对图像数据信号进

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,并预备进行下一次的扫描。



VGA显示控制器的设计实现 系统硬件框图如图l所示。通常VGA显示器显示的图像

行控制,这样就造成了CPU资源的浪费,同时系统还需要依
赖电脑,因而降低了系统的灵活性。利用FPGA芯片和EDA 设计方法,可以根据用户的需要,设计出针对性强的VGA显 示控制器,而且不需要依靠计算机,既能够大大降低成本,

数据量较大,而FPGA内置ROM很难满足这么大的存储量, FPGA需要外接SDRAM来存储这些数据。VGA显示器的输入的 是模拟信号,所以由VGA显示控制器产生的RGB信号在进入 VGA接口之前要经过一个D/A转换器。

又可以满足生产实践中不断变化的需要,同时产品的升级换
代也方便迅速。

本设计采用了Altera公司的EDA软件0uartus II,并
以Cylone系列FPGA器件为硬件平台进行系统设计。



VGA显示接口原理 计算机显示器的显示有许多接口标准,常见的有VGA、

SVGA等。VGA接口,也叫D-Sub接口,是15针的梯形插头, 分成3排,每排5个,传输模拟信号。VGA接口采用非对称

图l系统硬件框图

分布的15针连接方式,其工作原理是:将显存内以数字格 式存储的图像(帧)信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟 高频信号,然后再输出到显示设备成像。VGA支持在640


本设计采用Altera公司的Cyclone系列FFGA EPlC6为

核心的硬件电路进行设计,EPlC6具有用户可自定义的功
能、低功耗以及低成本等优点。

480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度,同时
在320×240分辨率下可以同时显示256种颜色。 VGA显示器的显示是采用逐行扫描的方式解决。扫描从 屏幕的左上方开始,从左到右,从上到下,逐行扫描,每扫完
收稿日期:2008-07—17

2.1时序信号产生模块
图片要想在显示器上显示出来,它主要需要5个信号,

行同步信号HS(Hor i Zontal—Sync)、场同步信号VS

106

万方数据

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(Vertical—Sync)和RGB三基色信号。VGA时序控制模块是 整个显示控制器的关键部分,最终输出的行、场同步信号必 须严格按照VGA时序标准产生相应的脉冲信号。图2和图3 所示为VGA行扫描、场扫描的时序图。
I II

2.3显示模块 显示模块是整个显示控制器的重要组成部分。各个模
块的输出数据都要经过该模块处理后送到显示器。显示模块

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在VGA显示控制器中起着至关重要的作用。显示模块的输出
信号直接连到V6A接口,它是控制器与显示器进行通信的桥 梁。

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显示区可以利用行、场同步信号的计数器,在图像有效
区间内按照图片的大小划定行和列的起始坐标和终止坐标。 本设计使用和行、场计数器相同频率的时钟信号作为图像地 址计数器的时钟,当扫描信号到达显示图片的区间时,图像地

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图2行扫描时序示意图

址计数器开始计数,同时从外部SDRAM里的相应位置读出数
据送往显示器进行显示。

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图3场扫描时序示意图

3仿真结果 在Quartus II 7.i中,将VGA时序信号产生模块进行

对此5个信号的时序驱动,VGA显示器也要严格遵守
“VGA-I-业标准”,即640×480


仿真,仿真波形如图4所示。其中Hs为行同步信号,VS为
场同步信号,R、G、B为三基色信号,CON是RGB控制信号。

60Hz模式,否则会损害V6A

显示器。行、场扫描时序要求如表1和表2所示。

裹1

行扫描时序要求:(簟位:像素。即输出一个像素

PixeI的时间间隔)

图4时序信号仿真波形

时间间隔)

…竺三场扫描时序要求:‘单位,行?即输出一行L‘n?的



结束语 传统的VGA图像显示方法在图像传输的过程中需要CPU

不断地对所传输的图像数据信号进行控制,造成了CPU资源 的浪费,而采用FPGA设计的VGA显示控制器,不需要依赖 计算机进行相应的控制,因此节省了计算机的处理过程,加 VGA工业标准要求的频率是: 时钟频率:25.175MHz 行频:31469Hz 场频:59.94Hz (每秒钟图像刷新的频率) (像素输出的频率) 快了数据的处理速度,增强了系统的可靠性和设计的灵活 性。同时,可移植性好,节约了硬件成本,使系统升级方便, 扩展了应用范围。

VGA工业标准显示模式要求:行/场同步都为负极性,


参考文献
王紫婷.EDA技术及其应用[M].兰州:兰州大学出版社,2005

即同步头脉冲要求是负脉冲。

2.2存储模块
FPGA的外部存储器可以有多种选择,如ROM、SDRAM等。

2潘松,黄继业,曾毓.SOPC技术实用教程[M].北京:清华大 学出版社,2005 3潘松,黄继业.EDA技术与VHDL(第2版)[M].北京:清华大学
出版社,2007

采用何种存储器将最终决定读取控制模块的数据读取方式。
如ROM可用直接产生地址信号的方式对芯片进行访问,而 SDRAM常常利用DMA控制方式配合CPU进行读写操作。本设 计采用SDRAM作为外部存储器。

4徐欣,于红旗等.基于FPGA的嵌入式系统设计[M].北京:机械 工业出版社,2005


EDA先锋工作室,吴继华,王诚.Altera FPGA/CPLD设计(高
级篇)[M].北京:人民邮电出版社,2005

107

万方数据

基于FPGA的VGA显示控制器的实现
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 孙艳, 孙爱良, 王紫婷, SUN Yan, SUN Ai-liang, WANG Zi-ting

自动化与仪器仪表 AUTOMATION & INSTRUMENTATION 2008,""(6) 1次

参考文献(5条) 1.王紫婷 EDA技术及其应用 2005 2.潘松.黄继业.曾毓 SOPC技术实用教程 2005 3.潘松.黄继业 EDA技术与VHDL 2007 4.徐欣.于红旗 基于FPGA的嵌入式系统设计 2005 5.EDA先锋工作室.吴继华.王诚 Altera FPGA/CPLD设计(高级篇) 2005

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