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基于fpga的vga图像显示控制器设计--学位论文

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可编程逻辑器件综合实验·报告 基于 FPGA 的 VGA 图像显示控制器设计 第 1页 可编程逻辑器件综合实验·报告 一.实验简介 本实验介绍了一种利用可编程逻辑器件实现 VGA 图像显示控制的方法, 阐述了 VGA 图像显示控制器中 VGA 显像的基本原理以及功能演示,利用可编程器件 FPGA 设计 VGA 图像显示控制的 VHDL 设计方案,并在 Altera 公司的 QuartusII 软件环境下完成 VGA 模块的设计。而且给出了 VGA 模块的设计思路和顶层逻辑框图。最终实现 VGA 图像显示 控制器,VGA 图像控制器是一个较大的数字系统,传统的图像显示的方法是在图像数据 传输到计算机,并通过显示屏显示出在传输过程中,将图像数据的 CPU 需要不断的信 号控制,所以造成 CPU 的资源浪费,系统还需要依靠计算机,从而减少了系统的灵活 性。FPGA 芯片和 EDA 设计方法的使用,可根据用户的需求,为设计提供了有针对性的 VGA 显示控制器,不需要依靠计算机,它可以大大降低成本,并可以满足生产实践中不 断改变的需要,产品的升级换代和方便迅速。 二.任务要求 2.1 课题要求 设计一个 VGA 图像显示控制器。 1. 2. 3. 4. 5. 显示模式为 640× 480× 60Hz 模式; 用拨码开关控制 R、G、B(每个 2 位),使显示器可以显示 64 种纯色; 在显示器上显示横向彩条信号(至少 6 种颜色); 在显示器上显示纵向彩条信号(至少 8 种颜色); 在显示器上显示自行设定的图形、图像等。 2.2 设计目标 根据课题要求,实验中将目标进行了细化,叙述如下: 1. 设定 4 种显示模式:横彩模式、纵彩模式、纯色模式、用户模式; 第 2页 可编程逻辑器件综合实验·报告 2. 3. 4. 5. 拨码开关最低两位 SW1~SW0 控制 4 种模式的切换; 拨码开关高 6 位 SW7~SW2 每两位分别控制 RGB 显示 64 种纯色; 横向和纵向彩条均设置为 8 种内置的颜色; 用户模式中分 3 种子模式: 1) 2) 3) 4) 子模式 1 是沿固定轨迹运动模式,固定图形沿水平方向运动,行运动到边界后折回到下一行继续水平 运动; 子模式 2 是反弹球模式,固定图形在矩形屏幕做内直线运动,到边界后沿反射角方向反弹,周而复始; 子模式 3 是受控运动模式,使用上下左右 4 个按键控制固定图形在屏幕内的运动方向; 子模式间的切换由一个单独的按键进行控制,按键按下后顺序切换子模式。 第 3页 可编程逻辑器件综合实验·报告 三.实验内容 3.1 VGA 概述 伴随着市场上液晶显示器的出现, 越来越多的数字产品开始使用液晶作为显 示终端,不过基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器。如果想要驱 动此类显示器,必须得有很高的扫描频率,以及极短的处理时间,综合诸多特点 需要,所以选用FPGA来实现对VGA显示器的驱动。本次毕业设计即选用FPGA来实 现VGA的显示。 现在,基于FPGA的设计方案越来越被用于更多的嵌入式系统,在基于FPGA 的大规模嵌入式系统设计中, 为了更好的实现VGA显示功能,既能使用专用的VGA 接口芯SPX7111A等,又可以设计和使用基于FPGA的VGA接口软核,其优点在于能 使用VGA专用芯片具有更稳定的VGA时序和更多的显示模式可供选择。 此外设计和 使用VGA接口软核更具有以下几点优势: ◆ 使用芯片更少,节省板上资源,布线难度大大减少。 ◆ 当高速数据进行传输时,减少高频噪声干扰。 ◆ 采用FPGA(现场可编程门阵列)设计的VGA接口可以将要显示的数据直接 传送到显示器,跳过计算机的处理过程,加快了数据的处理速度,从而 有利的节约硬件成本。 ◆ 整体设计费用降低,产品更具有价格优势。现代EDA软件发展迅速,设计、 仿真 更容易实现,量化设计中各个环节,使得设计周期日益缩短。 第 4页 可编程逻辑器件综合实验·报告 3.1.1 VGA 显示技术的发展概况 VGA 接口,它是一种被广泛应用的标准显示接口,大多数的显卡和显示器之 间, 以及二色等离子的电视输入图像模数的转换上使用了 VGA 接口。它同样还被 用于 LCD 的液晶显示设备, 随着微电子制造工艺的发展,可编程逻辑器件也取得 了长久的进步,早期的元器件只可以存储很少的数据,逻辑功能实现更为简单, 然而发展至今,其完成的逻辑功能相对复杂,规模更大,速度更快,功耗更低! 现阶段可编程逻辑器件主要有两大类,现场可编程逻辑器件(FPGA)和复杂可编 程逻辑器件(CPLD)。 FPGA 的运行速度快,管脚资源更加丰富,大规模的系统设计的实现相对简 单,大量软核可供使用用,有利于二次开发使用,不仅如此,而且 FPGA 具备可 重构的能力,抗看等特点。因此,工业控制及其他领域也更加重视使用 FPGA, 利用 FPG 完成 VGA 显示控制, 可以使图像的显示脱离 PC 机的控制,形成体积小、 功耗低的格式嵌入式系统(便携式设备或手持设备),应用地面勘测,性能检测 等方面,具有重要的现实意义 。本设计在 FPGA 开发板上使用 VGA 接口的显示 器显示彩条及简单的图形,可以成为整个采集系统的参考设计,实用价值良好。 [1] 3.1.2 VGA 显示接口 VGA 接口是一种 D 型接口, 上面共有 15 针孔, 分成三排, 每排五个。 其 中,除了 2 根 NC( Not Connect)信号、 3 根显示数据总线和 5 个 GND 信号, 比较重要的是 3 根 RGB 彩色分量信号和 2 根扫描同步信号 HSYNC 和 VSYNC 针 [2] 。 VGA 接口是显卡上应用最为广泛的接口类型,多数的显卡都带有此种接 口。其排列及接口定义如图 1.2-1 所示 : 第 5页 可编程逻辑器件综合实验·报告 图 1.2-1 VGA 接口图 在基于FPGA的VGA控制中,只需要考虑行场同

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