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基于FPGA 的VGA 控制器设计与实现

时间:2010-06-21


第 24 卷第 6 期 2008 年 11 月

齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Journal of Qiqihar University

Vol.24,No.6 Nov.,2008

基于 FPGA 的 VGA 控制器设计与实现
杨杰 1,穆伟斌 2,沈焕泉 2
(1. 齐齐哈尔大学 学报编辑部,黑龙江 齐齐哈尔 161006;2. 齐齐哈尔医学院 医学技术学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006) 摘要:利用 FPGA 设计一个类似点阵 LCD 显示的 VGA 显示控制器,可实现文字及简单的图表显示.工作时只需 将要显示内容转换成对应字模送入 FPGA,即可实现相应内容的显示. 关键词:FPGA;VGA;显示控制 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1007-984X(2008)06-0050-03

随着数字图像处理的应用领域的不断扩大,其实时处理技术成为研究的热点.EDA(电子设计自动化) 技术的迅猛发展为数字图像实时处理技术提供了硬件基础.其中 FPGA 的特点适用于进行一些基于像素级 的图像处理 .LCD 和 CRT 显示器作为一种通用型显示设备,如今已经广泛应用于工作和生活中.与嵌入 式系统中常用的显示器件相比,它具有显示面积大,色彩丰富,承载信息量大,接口简单等优点,如果将 其应用到嵌入式系统中,可以显著提升产品的视觉效果.为此,尝试将 VGA 显示的控制转化到 FPGA 来完 成实现.
[1]

1 系统设计方案
FPGA 是整个系统的核心,通过对其编程可输出红,绿,蓝三基色信号和 HS,VS 行场扫描同步信号. 当 FPGA 接受输出的控制信号后,内部的数据选择器模块根据控制信号选择相应的图像生成模块,输出图 像信号, 与行场扫描时序信号一起通过 VGA 接口 电路送入显示器, VGA 显示器上便可看到对应 在 的彩色图像.主芯片时钟由外部提供,由一片晶 振提供 50 MHz 频率的时钟源,接入芯片全局时 钟引脚 GCLK1.系统模块如图 1.
时钟电路 图 1 系统构成模块图 字库/图库 电源

FPGA

VGA 接口

显示器

2 硬件电路设计
VGA 的图形模式分为 3 类:CGA,EGA 兼容的图形 模式;标准的 VGA 图形模式;VGA 扩展图形模式.后 2 种图形模式统称为 VGA 图形模式. 本研究基于标准 VGA 模式来实现. 常见的彩色显示器一般都是由 CRT(阴极射线管) 构成,每一个像素的色彩由红,绿,蓝三基色构成.显 示时采用的是逐行扫描的方式. VGA 显示模块产生的 由 水平同步信号和垂直同步信号控制阴极射线管中的电子 枪产生电子束,轰击涂有荧光粉的屏幕,产生红,绿, 蓝三基色,于显示屏上合成一个彩色像素点.图 2 表示 的是 VGA 显示模块与 CRT 显示器的控制框图 .
[2]

图 2 VGA 显示模块与 CRT 显示器的控制框图

收稿日期:2008-06-05 作者简介:杨杰(1952-) ,女,黑龙江齐齐哈尔人,副编审,本科,主要从事编辑学方面的研究.

第6期

基于 FPGA 的 VGA 控制器设计与实现

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电子束扫描一幅屏幕图像上的各个点的过程称为屏幕扫描.现在显示器都是通过光栅扫描方式来进行 屏幕扫描.在光栅扫描方式下,电子束按照固定的路径扫过整个屏幕,在扫描过程中通过电子束的通断强 弱来控制电子束所经过的每个点是否显示或显示的颜色. 电子枪在 VGA 显示模块产生的行同步, 场同步等 控制信号的作用下进行包括水平扫描,水平回扫,垂直扫描,垂直回扫等过程.光栅扫描的路径通常为: 从上到下扫过每一行,在每一行中从左到右地进行扫描.其过程如下:电子束从屏幕左上角开始向右扫, 当到达屏幕的右边缘时,电子束关闭(水平消隐),并快速返回屏幕左边缘(水平回扫),然后在下一条 扫描线上开始新的一次水平扫描.一旦所有的水平扫描均告完成,电子束在屏幕的右下角结束并关闭(垂 直消隐),然后迅速返回到屏幕的左上角(垂直回扫),开始下一次光栅扫描. 通过对硬件进行编程,输出标准的 VGA 信号(红,绿,蓝三色信号和行,帧同步信号),通过 15 针 VGA 接口输出至显示器,可具有显示驱动程序的能力,驱动显示器显示图像信号.板上的 VGA 接口只需 使用其中的 5 个引脚,其中行,帧同步信号直接由 FGPA 输出;红,绿,蓝三色信号使用 FPGA 上 8 个引 脚,8 位数据,其中红色 2 位,绿色和蓝色各 3 位,经由电阻网络 D/A 变换后输出值显示器,具有 256 种 颜色.VGA 与 FPGA 引脚连接见表 1.
表1 FPGA管脚 对应的VGA信号 FPGA管脚 对应的VGA信号 156 E_VGA_D0 149 E_VGA_D5 VGA 与 FPGA 引脚连接表 155 E_VGA_D1 148 E_VGA_D6 154 E_VGA_D2 147 E_VGA_D7 152 E_VGA_D3 146 E_VGA_HS 150 E_VGA_D4 144 E_VGA_VS

3 系统软件设计
采用 PCtoLCD2002 软件进行字模转换,得到字符/图像像素数据.利用 Xilinx ISE 9.1i,ModelSim 开发 平台设计程序,根据 VGA 显示原理,产生时序驱动信号 HS,VS,同时在正确的时序控制下, 扫描输出 ROM 中的像素数据至显示器的 VGA 接口,进行图像显示.程序流程见图 3.
时钟触发 在 640×480 范围内? 是 在 48×16 范围内? 是 否 输出像素? 是 否 输出白色 子矩阵横坐标加 1 超过边界? 否 是 当前纵坐标加 1 超过边界? 是 否 当前纵坐标加 1 当前纵坐标归 0 图3 程序流程图 当前横坐标归 0 输出白色 否

输出黑色

4 结束语

本设计采用FPGA芯片为控制核心,实现了 VGA 显示.该设计硬件电路连接简单,软件程序简洁,对 显示器的控制简单,稳定.经过验证,设计是正确可行的.

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齐 齐 哈 尔 大 学 学 报

2008 年

参考文献
[1] 蒋艳红. 基于FPGA的VGA图象信号发生器设计[J]. 电子测量技术,2008,31(3) :78-80. [2] 求是科技. FPGA数字电子系统设计与开发实例导航[M]. 北京:人民邮电出版社,2005.

Design and implement of VGA controller for FPGA YANG Jie ,MU Wei-bing ,SHEN Huan-quan
1 2 2

(1. Journal Editorial Department,Qiqihar University,Heilongjiang Qiqihar 161006,China; 2. Medical Techonlogy Department,Qiqihar Medical College,Heilongjiang Qiqihar 161006,China)

Abstract:FPGA is applied to devise a VGA display controller similar to LCD point lattice display in order to show scripts and simple image. At work, we can transform displayed content into homologous script mode, then transmitting to FPGA which can show corresponding content. Key words:FPGA;VGA;display control

机床导轨防护罩的设计
现代机床制造中,导轨防护罩的应用十分广泛,它对机床精密导轨进行保护,防止铁屑 及油污对导轨的损伤,又使机床整体美观宜人.在设计中取得两组经验公式,现介绍如下. 1 钢制导轨防护罩的分类及工作原理 按防护方向的不同, 防护罩分为水平防护罩和垂直防护罩. 钢制导轨防护罩一般用 1Cr13 材质制成能防止锈蚀.防护罩由多节钢板重叠在一起组成,每节后侧均有一块立板,立板上 镶有滑块或滚轮,可在导轨上滑动,防护罩可随之伸长或压缩. 2 防护罩设计中的计算公式 1)防护罩宽度计算公式(图 1)为 H1≥(5+d)n+15;BC≥2(3+d)n+Bg+20 式中:H1 为防护罩上部宽度;n 为估计节数; BK 为防护宽侧面宽度,BK≥(BC-BS)/2;Bc 为防护宽度;d 为主体材料厚度;Bg 为机床导轨宽度. i 2)防护罩长度计算公式(图 2)为 图 1 防护罩宽度示意图 Le=(x-15)(n-1)+x+Lg;LZ=(n-1)15+x+LR 式中:Le 为最大拉伸量;Lz 为最小压缩量;Lg 为辅助导轨长度;x 为每节防护罩 长度. 3 应用举例 举例: 我厂为大连冰山橡胶股份有限公司生产的 CXMK5240*25/40L 数控双柱 立式车铣磨床,最大加工直径φ4 000,横梁右刀架行程 2 200,介绍防护罩的应 图 2 防护罩长度示意图 用设计方法(图 3). 2 3 5 0 4 2 5 1 3 0 0 横梁导轨宽 1100,横梁滑座应在横梁上滑动,防护罩把合板固定在滑座侧 滑座 面上,右端固定在横梁右端沿滑座左右移动,带动防护罩拉伸,压缩. 滑座行程 2 200,为防止行程 LT 大于 2 200 时防护罩损坏,故防护罩行程 1 1 0 0 应加大,最大行程加长 75,最小行程可再压缩 75,所以防护罩行程为 LT= 横梁 2200+75×2=2350,因滑座从横梁导轨面高起 50 mm,由 H1≥(5+d)n+15=50, L g 5 0 0 行程2200 可得 n=5.由图 3 可知:LZ=425;LE=2350+425=2775;2775/5=555.说明要 拉伸 2775 必须每节大于 555,而最小为 425 不够压缩,所以要加辅助导轨 Lg, 图 3 横梁导轨防护罩的设计 因为 Le=2350+425+Lg=(x-15)(n-1)+x=(x-15)×4+x;LZ=425+Lg=(n -1)×15+x=4×15+x;x=587.5,得出 Lg=222.5 mm.说明为使产品达到设计要求,就必须加辅助导轨,导轨长为 222.5 mm. 而右侧电机长 280, 为挡住电机, 取辅助导轨长为 290. e=2350+290=3140= L (x-15) (5-1) 得出 x=640. Z=425+290=715= +x, L (5-1)×15+x,得出 x=655.这说明每节 640 长度就可以拉长 3140,每节 655 长也就可以压缩 790.所以辅助导轨 Lg 正确, 可以实现行程 2350.BC≥2×(3+d)n+Bg+20=2(3+2)×5+1100+20=1170;BK=(BC-BS)/2=(1170-1100)/2=35.因 此侧面宽度 BK 最小可以为 35. 4 结论 在生产设计实践中运用上述公式设计机床导轨防护罩,经用户使用后效果良好.既能满足工作行程需要也节约了材料, 达到了工厂与客户利益双羸. (程焰,齐重数控装备股份有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161005)
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