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基于FPGA的VGA图像显示系统的设计与实现

时间:2013-05-06


2012 年 第7 期

仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrument Technique and Sensor

2012 No. 7

基于 FPGA 的 VGA 图像显示系统的设计与实现
周卓然, 徐道连, 吕凤飞, 付少华
( 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 , 重庆市 400030 ) 摘要: 文中依据 VGA 接口的设计原理, 提出一种基于 DE2 - 70 的 VGA 图像显示控制系统, 与传统的 VGA 控制系统 相比, 由于 FPGA 体积小, 可重构, 因此很适合小型便携式系统设备的设计 , 给出了 Quartus Ⅱ9. 1 的仿真结果。 在硬件平 台上实现了 VGA 的汉字显示和彩条信号的显示 。 实验结果表明: 由 FPGA 作为处理器来控制 VGA 图像的和汉字的显 能够达到预期的效果, 克服传统 VGA 控制系统的弊端。 示, 关键词: VGA; 汉字; FPGA; QuartusⅡ9. 1 中图分类号: TP261 文献标识码: A 文章编号: 1002 - 1841 ( 2012 ) 07 - 0090 - 03

Design and Implementation of VGA Image Display System Based on FPGA
ZHOU Zhuoran, XU Daolian, LU Fengfei, FU Shaohua ( Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of The Education Ministry of China, Chongqing University, Chongqing 400030 , China) Abstract: According to the principle of VGA interface design, a VAG image display control system based on DE2 - 70 was proposed. To compare with the traditional VGA control system, the small size of the FPGA, reconfigurable, so it is suitable for small portable system equipment design. The Quartus Ⅱ 9. 1 simulation results was presented. It achieved a Chinese character display and the VGA display of color bar signal on the hardware platform. The experimental results show that the FPGA as a processor to control the VGA image and character display, it can achieve the desired results, the control system can overcome the drawbacks of the traditional VGA. Key words: VGA; character; FPGA; quartusⅡ9. 1 0 引言 VGA 汉字 显 示 系 统 的 应 用 范 围 越 来 越 广 泛, 但传统的 VGA 字符显示方案主要是通过 VGA 专用芯片来控制 VGA 接 口来显示字符信息的, 但 FPGA 在大规模嵌入式系统设计中优 势明显, 如管脚资源丰富, 运行速度快, 可以实现大规模的系统 设计, 并且使用芯片更少, 可以降低成本, 有利于小型化。 同时 由于现代 EDA 软件的大量应用, 能够方便设计人员缩短设计 周期, 更方便地实现仿真
[1 ]

VGA 显示及时序信号的控制需要遵循 VGA 的工业 其中, 标准( 对显示器, 分辨率需要为 640 ? 480 , 扫描频率为 60 Hz ) , 需要注意的是, 在调试过程中, 如果显示器不满足此标准, 则显 VGA_G, VGA_B 示效果会与仿真波形出现偏差 。通过 VGA_R, 输出相应的控制信号到前端显示处理设备中, 在 LPM_ROM 中 存储的每一位数据对应相应的显示屏上的像素点的亮和灭 。 在显示器上显示汉字或者图像也就是按照汉字或图像的点阵 图向显示器上输出 1 或 0 的高低电平, 从而显示出所需要的汉 字或图像
[4 ]

。文中研制了了一种基于 FPGA 的

VGA 图像显示控制系统, 在 VGA 显示器上可以显示多种图像 和图像, 可以代替传统的 VGA 专用芯片的功能, 具有很好的应 用前景。 1 1. 1 VGA 显示原理 VGA 显示接口 VGA 是一种计算机视频 计算机显示器有许多的接口标准, 传输标准, 目前绝大部分的计算机与外设之间都带有 VGA 显 示接口。VGA 显示接口结构简单, 性能较稳定, 兼容性很强, 时 序易于实现, 在图像处理领域具有广泛的应用前景 1. 2 VGA 接口定义和时序控制 VGA 接口上面共有 15 条线, 分为 3 组, 分别用来处理输入 模拟信号和行同步线( HS ) 和场同步线( VS ) , 其中行同步线和 场同步线联合起来控制 VGA 的显示时序 的分辨率最高可达1 600 ? 1 200 像素。
收稿日期: 2011 - 08 - 08 收修改稿日期: 2012 - 05 - 10
[3 ] [2 ]




图1 VGA 与 FPGA 接口图

图 2 为 VGA 行扫描、 列扫描的时序图, 其中, 最终输出的 行、 场同步信号必须遵循 VGA 时序标准从而产生相应的脉冲 信号驱动 VGA 接口。 HSYNC 为行同步信号; VSYNC 为场同步信号; Pixel 图中, Freq 为时钟信号; DATA 为数据信号; DATA 只在图中的 Visible area 区域中才有效。



如图 1 所示, 该 VGA 接口当频率为 100 MHz 时, 可以支持

第7 期

周卓然等: 基于 FPGA 的 VGA 图像显示系统的设计与实现

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且一旦出错, 不易修改的缺陷。 除第一种方法不便于控制, 2. 5 汉字显示模式及 MATLAB 处理像素信息 系统所使用的开发工具是 Quartus Ⅱ9. 1 , 其内部集成了 IP core 的生成软件。使用 IP 核设计能够避免重复设计, 又可以提 高工作效率。 这些 IP 核是根据 Altera 的 FPGA 器件的特点和 结构设计的, 直接运用 Altera FPGA 底层硬件语言来描述。 根据项目的要求, 选择了单端口的 ROM 来存储汉字的图 像信息, 项目大概需要显示 50
图2 VGA 行扫描、 列扫描时序图

80 个汉字, 文中以显示 4 个汉

字为例, 将所用的 4 个汉字定制成 1 个 LPM - ROM, 且 4 个汉 字位 于 一 行, 根 据 DE2 —70 开 发 板 内 部 VGA 的 控 制 芯 片 ADV7123 的特性, 所以 RGB 颜色信号的分量每位需要 10 位数 据, 所以每个 LPM—ROM 的数据宽度是 64 位。 显示的汉字是 16 ? 16 点阵, 所以 LPM—ROM 的数据深度是 16 位。 在定制 LPM—ROM 时, 要显示汉字, 必须首先载入用字模 生成软件生成的像素信息, 系统中, 应用了 Matlab 将 16 ? 16 点 阵汉字的字模像素信息生成初始化文件 MIF。 也就是首先由 字模软件生成相应汉字的字模, 再将字模信息导入 MIF 文件。 MATLAB 程序主要是利用 fid = fopen( 'D: \ hanzi. mif', 'wt') ; fprintf( fid, ’ % d: % s; % s’ , a( : , ii) , char ( 13 , 10 ) ’ ) 语句来 将字模像素信息存储到到 MIF 文件中。 其中 hanzi. mif 文件就 下面给出实现的几个汉字的 MIF 文 是需要导入的初始化文件, 件信息:
WIDTH = 64 ; 数据宽度 DEPTH = 16 ; 数据深度

2 2. 1

FPGA 控制 VGA 显示控制器设计 系统硬件框图 系统的硬件实现框图如图 3 所示。 所设计的系统主要有

时序信号模块、 图像存储模块、 用户选择模块等构成。 FPGA 作 为主控制器控制整个系统的运行, 根据自顶向下的设计原则, VGA 控制模块、 可以将该系统划分为以下模块: 顶层模块、 存储 功能模块、 分频模块以及 RAM 读取控制模块。

图3

系统硬件框图

ADDRESS_RADIX = HEX; DATA_RADIX = HEX; CONTENT BEGIN 0 : 0010010001002208 ; 1 : 00F8008001001108 ; 2 : 3F003FFE01001110 ; 3 : 0020010020000100 ; 4 : FFFE208001007FFE ; 5 : 01002080FFFE4002 ; 6 : 1FF0208001008004 ; 7 : 11102FFC01001FE0 ; 8 : 1FF0208002800040 ; 9 : 1110214002800180 ; a: 1FF021400440FFFE; b: 0100222004400100 ; c: 3FF8422008200100 ; d: 0100441010100100 ; e: FFFE880820080500 ; f: 00001006C0060200 ; END;

FPGA 上读出配置信 系统的工作原理: 首先系统加电后, FPGA 所要显示的汉字的字模信息初始化, 配置结束后, 存 息, 入系统的 ROM 中, 时序由系统时钟产生, 之后程序根据系统的 时序信息来控制 VGA 接口, 输出相应的行同步、 场同步、 以及 RGB 颜色信息到显示器上。 2. 2 顶层模块 顶层模块主要是负责各个模块之间数据信号和控制信号 之间的连接关系, 并且能接收 RAM 读取模块传来的汉字字模 的信息数据流, 根据 RGB 的定义
[5 ]

, 规定 VGA 色彩信号中: 000

( 黑色) , 001 ( 蓝色) , 010 ( 绿色) , 011 ( 青色) 、 100 ( 红色) 、 101 ( 红色) 、 101 ( 紫色) 、 110 ( 黄色) 、 111 ( 白色) , 需要注意的是该 项目中采用的 VGA 芯片的控制 RGB 三基色每个像素信息的位 数是十位。 2. 3 时钟及 VGA 同步信号模块 该子模块主要作用是分配系统时钟到各个模块, 同时能够 设计的要求是使 VGA 能够产生行 产生需要的 VGA 同步信号, 同步信号和场同步信号驱动 VGA 接口。 2. 4 LPM_ROM 存储模块 将需要显示的汉字信号发送到 VGA 接口, 有 2 种方法: 一 是对像素进行计数后, 将计数数值( 像素信息) 直接赋值给 RGB ( 颜色信号) ; 二是使用 FPGA 内部的存储资源来存储显示内容 的像素信息, 之后, 经过程序将显示信号发送到 VGA 接口, 实 现汉字、 图形、 图像的显示。文中采用第二种方法, 这样可以消 3 3. 1

经过试验验证, 汉字显示的效果很好。 实验结果 实验开发工具 ( 1 ) 仿真软件: QuartusⅡ9. 1 ; ( 2 ) 开发语言: 硬件描述语言 Verilog; ( 3 ) 实验开发板: Altera DE2 - 70 。

92 3. 2 VGA 同步信号的仿真

Instrument Technique and Sensor

Jul. 2012

FPGA 提供的外部时钟是 50 MHz, 而 VGA 显示需要的时 钟 25. 175 MHz, 所以在设计上首先对外部时钟进行二分频, 得 到 25 MHz 的时钟频率, 这个频率与 25. 175 MHz 很接近, 以该 每行为 800 个时钟周期, 每场为 525 行( 即是 800 时钟为标准, ? 525 个时钟周期) [6] , 行同步、 场同步信号得到的仿真结果如 R、 G、 B 为三基色信号, VS 图 4 所示。其中 HS 为行同步信号, 为场同步信号。

图4

时序仿真图

利用 QuartusⅡ9. 1 内部的仿真软件对系统进行仿真, 得到 的仿真结果如图 4 所示。 vga _ clk、 vga _ sync 是 控 制 通过仿真图 可 以 观 察 出 blank、 VGA 芯片 ADV7123 的控制信号, 行同步信号( hsync ) 、 场同步 ‘1 ’ , 信号( vsync) 有效值都为 并且行与场都处于有效区域 valid 内( 由水平有效区域的宽度和垂直有效区域的宽度逻辑与得 ‘1 ’ , 到) 时, 输出的有效区域 valid 的有效值为 此时可以把汉字 的信息输出, 从仿真时序图可以观察出, 当满足输出的条件时, 可以从定制的 ROM 中调用存储的汉字信息在时序图中用 romdata 表示存储的汉字信息。 该项目采用的是蓝底白字的显示, 蓝底 RGB = 001 , 白字 RGB = 111 表示, 由仿真图 vga_b 可知其 ‘1111111111 ’ 。而 vga_r 和 vga_g 值全部为 1023 , 表示的十位为 ‘1 ’ , 只有在汉字信息输出时, 输出才是十位的 十进制表示就是 1023 , ‘0 ’ , 否则输出的是十位的 从而实现蓝底白字的显示 。 3. 3 汉字和彩条显示效果 利用 FPGA 内部的 LPM - ROM 来存储汉字的字模像素信 息, 通 过 程 序 读 取 信 息 后, 将 其 传 送 至 VGA 接 口, 项目定制 LPM - ROM 来存储汉字点阵信息, 可以显示多个汉字。 项目显 “重 ” 、 “庆 ” 、 “大 ” , “学” 4 个字, 示了 得到的效果如图 5 、 图 6、 图 7 所示, 实验结果达到了预想的要求 。如果想显示更多的汉字, 可以定制更多的 LPM - ROM, 该项目中的汉字更改方便, 同时 也可以调整汉字显示的位置 。

4

结束语 用 FPGA 来控制 VGA 接口, 改变传统的 VGA 图像显示方

如需要控制器不断的对所传输的数据信号进行控 法的缺点, 制, 造成了资源浪费。 而采用 FPGA 设计的 VGA 显示控制器, 不但可以使汉字的显示可以脱离微机的控制, 同时减小了系统 可移植型好, 系统升级也非常方便, 对于各种便携式的 的体积, 设备、 小型嵌入式系统的设计和实现具有重要的工程意义 。 参考文献:
[ 1] 王亮, 李正, 宁婷婷, 等. VGA 汉字显示的 FPGA 设计与实现. 计算 30 ( 2 ) : 275 - 281. 机工程与设计 2009 , [ 2] 谢磊. VGA 图像控制器的设计与实现 . 新乡学院学报, 自然科学 2009 , 26 ( 6 ) : 51 - 53. 版, [ 3] 王绍雷, 赵进创. 基于 FPGA 的图像边缘检测系统的设计 . 电子技 2007 ( 6 ) : 40 - 42. 术应用, [ 4] 袁堂青, 张玉璘. 基于 FPGA 的 VGA 汉字显示系统设计与实现. 济 2011 , 25 ( 1 ) : 37 - 39. 自然科学版, 南大学学报, [ 5] 陈继焱, 何东升. 基于 FPGA 的高分辨率雷达图像采集系统 . 仪表 2007 ( 9 ) : 41 - 43. 技术与传感器, [ 6] 李国刚, 余俊, 凌朝懂. 基于 FPGA 和 VGA 的图形控制器的实现方 2006 ( 7 ) : 25 - 27. 法. 信息技术, 作者简介: 周卓然( 1988 —) , 硕士研究生, 主要研究方向为测控技术 、 嵌 mail: 529506708@ qq. com 入式系统等。E-


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