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VGA图像控制器的CPLDFPGA设计与实现

时间:2011-06-30


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V G A 图像控制器的 C P L D / F P G A 设计与实现
CPLD/FPGA Implementation of VGA Image Controller
北京电子科技学院通信工程系  王曼珠  路而红  王传海

摘   要 本文介绍了一种利用可编程器件 CPLD/FPGA 实现 VGA 图像控制器的 VHDL 设计方案,并给出了 : 一些重要模块的 VHDL 源程序。 关键词 G A ;V H D L ;C P L D / F P G A ;仿真综合;E D A :V 现代电子设计技术的核心是 EDA 技术。EDA 技术依 赖功能强大的计算机,在 EDA 软件工具平台上,以硬件 描述语言 VHDL 为系统逻辑描述的主要手段完成系统设 计。 利用可编程器件 CPLD/FPGA 实现 VGA 彩色显示控 制器在工业现场中有许多实际应用。以硬件描述语言 VHDL 对可编程器件进行功能模块设计、仿真综合,可实 现 VGA 显示控制器显示各种图形、图像、文字,并实现 了动画效果。 号等信号的控制,并参照有关标准,可以实现对 VGA 显 示器的控制。 由此可见, 了解接口标准, 控制时序和设定 恰当的参数是系统设计的关键。 参照 V G A 主要参数的工业标准,像素输出频率为 25.175MHz;行频(线频率)为 31.469KHz;场频(刷新率 )为 59.94Hz。 参数设计原理以及行同步信号(Ts)与显示 信号(Tdis)的关系如图1所示。

VGA 图像控制器的设计方案
VGA 图像控制器是一个较大的数字系统。采用模块

VGA  接口及设计参数
V G A 接口是与显示器进行通信的唯一接口。通过 CPLD/FPGA 器件对 RGB 信号、行同步信号、场同步信

化设计原则, 借鉴自顶而下的程序设计思想, 进行功能分 离并按层次设计。将 VHDL 硬件描述语言设计与原理图 设计相结合, 逐一对每个功能模块进行仿真, 使顶层VGA 图像控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。VGA 控 制器主要由以下模块组成: 消隐模块, 显示模块, 分频模 块, 网格生成模块, 汉字显示模块, 图像控制模块, 动画 生成模块,LPM-ROM 调用模块,EEPROM 调用模块等。 功能模块的 V H D L 设计如下。 消隐模块 消隐模块是整个显示控制器的关键部分, 显示模块、 汉字模块、彩条模块、网格模块、动画控制模块、LPM- R O M 调用模块等都由消隐模块控制,并且行同步信号

图 1   行同步信号与显示时间信号的示意图

本文 2003 年 8 月 18 日收到。王曼珠:副教授,从事电子通信系统研究和数字工作。

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(HS)和场同步信号(VS)都由该模块产生。 图 2 是消隐模块的仿真结果。由于 CLK频率相当高, 像素速率也很高,为了观察 HS、VS 信号,适当缩小了波 形比例。 其中,  C[9..0]为像素坐标值, L[8..0]为扫描线信 号,也就是像素的横坐标。 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 示模块在 VGA 显示控制器中起着至关重要的作用。 显示模块的 VHDL 设计如下: ARCHITECTURE BEHAVE OF DISPLAY IS SIGNAL GRB: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); BEGIN GRB(2)<=GRBP(2) AND HS AND VS; GRB(3)<=GRBP(3) AND HS AND VS; GRB(1)<=GRBP(1) AND HS AND VS; R<=GRB(2); G<=GRB(3); B<=GRB(1); END BEHAVE; 显示模块仿真波形如图 3所示。 GRBP 为三原色数据信号,由模式控制模块产生;行 同步信号 HS 由消隐模块产生;场同步信号 VS 由消隐模 块产生。输出的 R、G、B 信号分别为红色、绿色、蓝色 信号。 显示模块的输出信号直接连到 VGA 接口,它是控制 器与显示器进行通信的桥梁。该模块以 VHDL 语言实现, 该模块中的结构体描述一共只用了6条语句。 而要实现同 样的功能,一般操作系统的视频卡驱动程序需要冗长的 代码去描述。由此可见,VHDL 语言具有很大的优越性。 汉字生成模块 字模信息可以利用字模提取软件来获得,得到了汉字的 字模信息后,可以通过屏幕上的横坐标和纵坐标按照字 模信息定义像素的颜色, 这样就可以显示任何字体、 任何 点阵的汉字, 并根据需要决定汉字在屏幕上的位置。 至于 英文以及其他任何符号的显示原理与汉字显示的原理一 样。 网格生成模块 图3  显示模块仿真结果 网格生成模块用来编辑各种图形。网格生成模块的 实现原理与汉字生成模块、 彩条发生器类似, 在像素的横 坐标和纵坐标控制下, 实现各种网格图形的生成。 网格生 成模块所产生的九种图形送显示器依次显示,所以可以 看到网格由小到大逐渐变化, 虽然不是动画效果, 但每秒 一帧画面的速度依然使图像连续变化呈现出动感。网格 以及背景的颜色也可以随意设置。每帧图像的速率可由 时钟来控制。 网格生成模块的主要功能是编辑各种图形,因此本 模块可以按照设计方案生成各种各样的图形。网格的选 择是一种比较简单的图像编辑,该部分虽然名为网格生 成模块, 但实际上可以编辑出多种彩色图像。 L P M - R O M 调用模块 L P M 是参数可设置模块库。本设计中调用了三个 LPM-ROM,其中两个用来存放汉字信息,另一个用来存 放动态彩条信息。调用 LPM-ROM 模块,一个重要的问 题就是*.mif文件的生成。 这里文件生成借助字模提取软 件和 WORD 编辑功能。设置好参数后,生成元件作为自 LPM-ROM 调用模块为不使用外挂 ROM 而建立字库 提供了条件, 直接调用LPM模块, 可以大大提高效率。 通 过 LPM-ROM 可以在显示器上显示汉字、字符等。 E E P R O M 调用模块 EEPROM 调用模块是设计的难点之一。该模块实现了 对系统外挂的两个 EEPROM(W27E040 和 W27C020)的访 问, 通过该模块可以使显示器显示各种各样的
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图2  消隐模块仿真结果

汉字生成模块可实现在显示器上显示汉字、 字符等。 定义元件库中的元件以供调用。

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表1  网络微控制器的选择

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任何 TCP 连接必须限制在单个以太 网帧以内(大约1600字节), 该方案 需要比较复杂的软件库。 最近,高端 8 位以太网微控制 器已投放市场,这些 8 位微控制器 核允许 21 位至 24 位的地址空间和 更高的时钟速率,能够以 8 位器件 的成本提供16位/32位的处理能力。

将一个传统的8位微控制器连接到以太网控制器是一 种通用的解决方案, 第三方TCP/IP栈(如 CMX-Micronet) 的设计目的是为各种微控制器提供一个小尺寸、 使用灵活 的插件, 正如以上所述, 连接一个外部控制器将会占用珍 贵的I/O口资源, 而且, 第三方TCP/IP栈的成本差别较大, 功能完备的TCP/IP栈耗资可能达到¥1000, 而许多功能有 限的 TCP/IP 栈还可以免费得到。 设计中可以找到一些性 价比更高的途径,对于那些只需要 UDP 或支持有限 TCP Microchip已经给出了16、 18系列 PIC与以太网控制器连 接的参考设计,非常廉价,但它不包括TCP 缓冲,所以,

有些微控制器甚至提供内部以太网 MAC,大大减少了对 GPIO的需求。 Dallas Semiconductor的DS80C400就是一 款高性能、 低成本的网络微控制器,  提供多种I/O选择, 支持 I2C、SPI、RS-232、IrDA 和 CAN 总线协议。此外, 它还支持 C 开发工具,T I N I 操作系统的内核包含于 DS80C400 的 ROM 中,它带有一个完整的 IPv4/IPv6 网络 栈和采用TFTP的自动网络引导能力, 这些功能无需Java VM 即可使用, 允许采用 Sun Java开发工具进行开发。 嵌 的网络微控制器即可节省系统成本,又能够实现高效的 连通性。网络微控制器的选择见表 1。■

的应用,Microchip 的 PIC 提供了最简捷的解决方案, 入式网络并不全是 32 位微控制器的天下,利用一个 8 位

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彩色图像。

中,由顶层原理图调用各个模块(元件)。VGA 图像控制 器整体设计经过调试,通过了 M A X + P L U S Ⅱ的功能仿 真、时序仿真以及硬件仿真综合,在 VGA 显示器上实现 了所设计的各种功能。

图像模式控制模块 图像模式控制模块也是该数字系统的关键部分,它 的主体部分是一个功能齐全的数据选择器(32选1)。 该模块由一个 32选1数据选择器和一个32进制可逆 计数器组成。可逆计数器控制端为 EC、DIR、CLR,MD 为计数时钟信号。计数结果(即对应一种模式)是数据选 择器进行选择的依据, 通过对可逆计数器的控制, 可以实 现对模式选择的控制。 图像控制模块共产生了 32种模式, 由计数器实现了 对模式的有效控制。其实图像控制模块功能还可以进一 步扩展。计数器输出为 8比特,实际共有 255种模式, 在 输入的 32 个信号中, 可以将它们其中的任意几个进行再 处理, 如叠加、 异或(棋盘格生成就是横彩条与竖彩条的 异或而实现的)、 相与等等, 这样就可以产生成千上万种 图形的输出。 V G A 控制器中的十余个模块都采用 V H D L 语言实 现,每个模块在功能仿真无误后生成元件,放入元件库

结语
利用可编程逻辑器件可以很方便地实现数字系统设 计,基于 CPLD/FPGA 器件的 VGA 控制器可以实现显示 器的实时显示。 该系统性能高低取决于系统设计方案, 硬 件描述语言设计以及开发工具的性能。 ■

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