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基于FPGA和ADV7123的VGA显示接口的设计和应用

时间:2013-10-14


第 29 卷 第 4 期 2006 年 12 月

电 子 器 件
Chinese Journal of Electron Devices

Vol. 29 No. 4 Dec. 2006

Design and Application of VGA Display Interface Based on FPGA and ADV7123
DE N G Chun ian -j
1, 3

, W A N G Qi , X U X i u -Zhi

2

1, 3

, FE NG Yong-M ao

1, 3

, ZH E N G X i-f eng

1

1. Changc hun In st i tut e of Op ti cs , F ine M echani cs an d Phy sic s, Chi nese A cade my of S ci ence s, Chang chun 130033, Chi na; 2. Bei j i ng Vacuum E lec tr oni cs Resear ch Inst i tut e , B ei j i ng 100016, Ch ina; 3. G rad uat e S chool of t he Chi nese Ac ade my of S ci ence s, Bei j i ng 100039, China

Abstract: Com plet e or perf ect display of digit al image inf ormat ion on VGA int er face display invo lved in const ruct of t iming signal and im age dat a DA conv er ting. A design scheme of VGA display int er face is present ed. M ethod o f dig it al image dat a DA convert ing and out put t o VGA int erf ace display is given, w hich includes hardw are desig n, cont rol of video DA conv er ter, const ruct o f VGA t iming signal by FP GA. T w o design methods and t w o t ypical applicat ions one is t o display result of imag e processing, anot her is t o aid f or f ore t erminal video desig n, are given. T he schem e can be w idely applied in inst rumentat ion, digit al v ideo syst ems, high resolut ion co lor graphics, video signal reconst ruct ion. Key words: FP GA; ADV7123; VGA display int erf ace EEACC: 7260

基于 FPGA 和 ADV7123 的 VGA 显示接口的设计和应用
邓春健1, 3 , 王 琦2 , 徐秀知1, 3 , 冯永茂1, 3 , 郑喜凤1
1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033; 2. 北京真空电子技术研究所, 北京 100016; 3. 中国科学院研究生院, 北 京 100039

摘 要: 数字图像信息在 VG A 接口显示器正确、 完整地 显示, 涉及到时序的构建和数字图像信息的模拟 化两方面, 提出一 种
能够广泛应用的 V GA 显示接口方案, 详细阐述了数字图像数据 D A 转化 并输出到 V GA 接口显示器显示的方法, 其中包括 接 口的硬件设计、 视频 D A 转换器的使用方法、 通过 FPG A 构造 V GA 时序信号的 方法等等。 最后提供 了两种 典型应 用以及 设 计方法, 一种用于图像采集处理结果的显示, 另一种用于辅助前端视频设 计。方案可以 广泛应用于 各种仪器, 数字 视频系统、 高分辨率的彩色图片图像处理、 视频信号再现 等。

关键词: F PG A; A DV7123; V GA 显示接口 中图分类号: TP393. 11 文献标识码: A 文章编号: 1005 9490( 2006) 04 -1325 04 口标准, 因此数字图像信息模拟化可用视频 DA 转 换器来实现。 VGA 标准是当前最常用的视频显示标准, 还包括 SVGA、 XVGA 等子标准。本文主要以 640 @ 480, 60 Hz 下 VGA 显示标准为例, 实现一个满足多方面需求的 VGA 显示终端接口。设计可应用于图像处理、 视频信 号再现、 数据可视化分析等方面, 实现方法和器件的选 取以及设计应用列举都具有典型的代表意义。

VGA 接口显示器是计算机系统以及智能仪器 中重要的显示终端设备。标准的 VGA 接口需要提 供以下几组基本的信号: 行同步信号 H sync 、 场同步 信号 V sync 以及红黄蓝 3 路模拟信号。因此要使数 字图像信息在 VGA 接口显示器正确、 完整地显示, 就涉及到了时序的构建和数字图像信息的模拟化两 方面。如果接口前端无可供利用的时序信息, 那么 就可参照有关标准来构造时序, 这可利用可编程器 件很方便地实现; 另外由于 VGA 是一个模 拟的接
收稿日期: 2005 12 26 - -

作者简介: 邓春健( 1980 , 男 , 博士生, 研究方向为嵌入式操作系统的应用, dcj5880870 @ 126. com ; -) 王 琦( 1978 , 女 , 助理工程师, 2004 年于长春理工大学获硕士学位. -)

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子 器



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VGA 显示接口的硬件设计和原理

170, 可以 广 泛 应 用 于 如 H DT V、 字 视 频 系 统 数 ( 1600 @ 1200@ 100 H z) 、 高分辨率的彩色图片图像 处理、 视频信号再现等, 因此能够满足我们多方面应 用需求。图 1 是 VGA 显示终端接口硬件设计原理 图, 通过 ADV7123 产生三路模拟输出, 同时结合行 场同步信号完成图像的显示。

设计选择美国 AD 公司的 ADV7123 作为视频 DA 转换器。A DV7123 是三路高速、 位输入的视 10 频 DA 转换器, 具有 330 M H z 的最大采样速度, 与 多种高精度的显示系统兼容, 包括 RS 343A 和 RS -

图1

V GA 显示终端接口设计电路

ADV7123 使用方便, 但为了避免设计、 操作上的 失误, 并获得最佳效果, 在硬件电路设计中仍需要注 意如下问题: IOR、 IOG、 信号分别为红色、 IOB 绿色、 蓝色通道的电流正向输出端; COMP 信号用于内部 参考运放的补偿, 应该用 0. 1 L 的陶瓷电容连接在 F COMP 与模拟电源之间; V ref 为 1. 235 V 电压参考输 出, 通常与电源端接一个 0. 1 LF 的电容; R set 管脚与 地之间接一个 530 8 的电阻, 用来控制视频信号的满 幅度, 通常在 R set 管脚和地之间接一个滑动变阻器, 调 整 R s et 上的电阻值可以对模拟视频输出作调整, 以在 显示器上获得最佳亮度。IOR, IOB, IOG 信号输出的 电流值 可以 通过 公式 算 得: IOR, IOB= 7. 9896 @ VREF / R s et ( mA) , 当使用/ SYNC 信号时 IOG= 11. 445 @ V ref / R set ( mA) , 如果未使用/ SYNC 信号, 计算公式 同 IOR, IOB 的计算公式。特别要注意的是: 当在 R s et 管脚接滑动变阻器时, 上电工作前应该测量 R set 管脚 到地间的电阻值, 一定要避免 R set 上的电阻值过小, 因 为由公式可知 R set 上电阻值 与 IOR, IOB, IOG 信号输 出成反比, ADV7123 工作时, 过小的 R s et 阻值, IOR, IOB, IOG 信号输出的电流将会很大, ADV7123 会发 烫, 甚至烧坏! 为得到干净的电源输入, ADV7123 的电源端应 该和模拟地间接入 0. 1 LF 和 0. 01 LF 的退耦电容,

ADV7123 电 源端入口 通过磁珠 与 PCB 板电 源相 接, ADV7123 的地也应通过磁珠与 PCB 板地相接。 另外在 IOR、 IOG、 端都接一个 75 8 的终端电 IOB 阻, 应该离 ADV7123 尽可能近些, 以减少反射。R0 ~ R9、 ~ G9、 G0 B0~ B9 以及/ SYNC、BLAN K 、 / CL OCK、/ PSAVE 直接接入 F PGA。/ PSAVE 为 节能控制管脚引入 FP GA, 在调试时接逻辑高电平, 令不使能。在设计时序时, 要注意 Pclk 为时钟输入 端, 在上升 沿琐存 R0~ R9、 - G9、 - B9 数 字信 G0 B0 号, / SYNC 以 及/ BLA NK 信 号。 从 F PGA 提 供 H sync( 行) 、 Vsync( 场) 同步信号, 直接接入 15 针的 VGA 显示接口连接器。 在点时钟脉冲 P clk 的作用下 3 个 10 位的 RGB 信号送入数据寄存器, 而后送到 3 个 DA C 模块, 复 合消隐信号和复合同步信号加到红、 蓝模拟信号 绿、 送到输出端。

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显示时序实现方法
我们常把要显示的数据如图像处理结果存放到

存储器里, 如果要把显示存储器里的图像在 VGA 接 口显示器显示, 大多情况下, 扫描时序是需要我们构 造的。以 640 @ 480, 59. 94 H z( 60 H z) 为例。VGA 工 业标准规定, 如图 2, 每场信号对应 525 个行周期, 其

第4期

邓春健, 王

琦等: 基于 FP GA 和 ADV7123 的 VGA 显示接口的设计和应用
inH sys< = '1'; end if; end if; end pro cess; pro cess( inH sys) begin if inH sys'event and inH sys= ' ' then 1 - - 每个上升沿对行同步计数 count2< = count2+ 1; if co unt2= 514 then count2< = 0; end if; if ( count2> 2) and( co unt2< 5) then - - 产生宽度为 2 行的负脉冲 V sys< = '0'; else V sys< = '1'; end if; end if; end pro cess; end bhv;

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中 480 行为图像显示行, 每场有场同步信号, 该脉冲 宽度为 2 个行周期的负脉冲; 每显示行包括 800 点时 钟, 其中 640 点为有效显示区, 每行有一个行同步信 号负脉冲, 该脉冲宽度为 96 个点时钟 。这样我们可 以知道, 行频为 525 @ 59. 94 Hz 即 31469 H z, 需要的 点时钟频率为: 525 @ 800 @ 59. 94 H z 约 25 MH z。

图2

行场同步信号时序图

同步信号, 如场同步、 行同步、 符合同步信号可 以在 F PGA 里构建。选取 25 MH z 的晶振作 为点 时钟 Pclk 输入, 将 Pclk 输入到模等于 800 的像素 脉冲计数器中, 当像素脉冲计数在 8 到 103 脉冲间 输出低电平, 其它输出高电平, 以此作为行同步信号 H sy s; 然后以 H sys 行节拍为单位进行计数, 当计到 3 和 4 时输出低电平, 其它输出高电平, 当计了 525 个行同步信号时, 计数器清 0, 以此作为场同步信号 Vsy s。下面使用 VH DL 语言实现行、 场同步信号。
entity H sVs is po rt ( Pclk: in st d_log ic ; - - 点时钟 25M H z Hsy s: out std_lo gic; - - 行同步输出 Vsy s: out std_log ic) ; - - 场同步输出 end; architecture bhv of H sVs is signal co unt1: integer rang e 0 to 799; - - 点时钟计数 signal co unt2: integer rang e 0 to 514; - - 行计数 signal inH sys: std_log ic; - - 定义一个与 H sys 相同的信号量 beg in pr ocess ( Pclk) beg in if Pclk'event and P clk= '1' then - - 上升对点时钟沿计数 co unt1< = count1+ 1; if count1> = 799 t hen co unt1< = 0; end if; if ( co unt1> 8) and( count1< 104) then - - 产生宽度为 96 个点时钟的负脉冲 Hsy s< = '0'; inHsy s< = '0'; else Hsy s< = '1';

可以看出通过硬件描述语言, 可以方便的构造 VGA 显示器 显示所需的时序 信号, 对 其它显示标 准, 这种时序构 造方法同 样适用。另外 ADV7123 需要输入复合消隐控制信 号/ BL ANK 和复合同步 信号/ SYNC。当/ BLANK 为低时, R0~ R9, G0~ G9, B0~ B9 输入将被忽略, 模拟输出为灰电平, 在 这期间 CRT 完成回扫。/ SYNC 是 DA7123 独立的 视频 同步 控制 输 入端。/ SYNC 控制 一 个内 部与 IOG 模拟输出端相连的电流源, 视频同步信息编码 直接进入绿色信道, 为高时 IOG 模拟输出端会叠加 43IRE( 约 8. 05 mA) 的电流, 为低时则关掉, 这样即 产生了复 合在 绿 色视 频 信号 上 的同 步 信 号电 流 ( sync on g reen) 。/ SYNC 不会影 响其它控制信号 - 或数据输入信号, 故只能在消隐期间使用。如果不 需要同步信号信息, 则/ SYN C 输入端应该与逻辑地 相连。许多图像处理器和显示控制器都有产生水平 控制同步信号的和垂直控制同步信号的以及两者的 复合同步信号/ SYNC, 很多情况下则需要我们自己 构建/ SYNC 和/ BLANK 信号, 对行场 同步为低电 平的标准, / SYNC 可以设计为 H sy nc 和 Vsy nc 相 与的结果, / BLA NK 信号可做 的比/ SYNC 略宽一 些。对于某些显示标准, 行场同步信号为正脉冲, 在 借助行场同步生成/ SYNC 和/ BL ANK 信号时要分 清极性。 需要注意时序设计好后应该先通过仿真, 电路 板上电后通过示波器检验后才接显示器, 因为时序

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子 器



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不正确显示必然会不正常, 还可能会损坏显示器!

同步信号和点时钟送到地址发生器中, 产生所需要的 控制帧存储器的地址信号, 同时把采集处理后的数字 图像信息输入到 ADV7123, ADV7123 把数字图像信 号 DA 转化后送入 VGA 接口。 4. 2 前端辅助设计 彩色 LED 大屏幕显示器制作面积是随用户需 求定制的, 前端工作就是把视频数据提取出来传输 出去, 后端接收显示。每种需求或者是芯片选型更 新可能都会引起前端和后端硬件的变化, 另外一个 点阵规模为 640 @ 480 的 L ED 显示器面积非常大, 如果前端使用 VGA 显示器作为 LED 显示器的代 替品, 这样前端和后端工作的紧密性可分离开来, 这 样将能够更方便调试设计好的硬件, 从而验证前端 硬件设计的正确与否。例如新设计了一个 DVI 接 口, 作为 彩色 L ED 大 屏幕 显示 器显 示数 据来 源, DV I 接口提供 VGA 显示器显示所需的同步信号, 可以把 DVI 的数字 RGB 信号以及同步、 点时钟信 号直接接入本文设计的 V GA 显示 接口, 如果前端 设计 无 误, DVI 接 口 来 的 图 像 信 号 应 该 能 够 在 VGA 显示器上显示。在 VGA 显示器上验证通过 后, 再接入 L ED 大屏幕显示器。

3

VGA 显示接口的验证方法
在正式调试或使用接口前, 对设计进行基本测

试、 论证是有必要的, 通常方法是尽可能脱离其它不 确定因素, 只对关心这部分电路进行测试。如果在 FPGA 里构造的数据能够按要求在显示器上显示, 则 表示基本可以使用了。例如把计数器输出作为 DA 的红绿蓝数字信号输入, 以 Pclk 作为计数脉冲, 并引 入上述的时序信号, 正常情况下显示器显示结果是水 平方向是反复由亮到暗, 或是由暗到亮显示。还可以 利用 FPGA 里的 LPM_ROM 预存显示数据输出作为 显示数据。仍以 Pclk 作为计数脉冲, 计数器作为地 址发生器, 输出到 LPM_ROM, 作为地址。

4

两种典型应用

对于某些点阵规模少的显示器, 如小面积的液 晶模块, 要查看显示大分辨率的设计结果是很不方 便的; 在做某些单位像素面积大的显示器的设计时, 如设计 LED 大屏幕显示器的数据源接口, 在调试硬 件时直接接入笨重的 L ED 大屏幕显示器是很不方 便的。VGA 接口显示器可以把点阵规模少的/ 大面 积化0, 把单位像素面积大的/ 小面积化0, 始终是一 个方便、 廉价的辅助设计工具。 应用给出两种情况, 包括显示数据源提供或没 提供 VGA 显示接口所需同步信号的情况。 4. 1 图像处理结果显示 图像处理常遇到图像处理结果显示的问题, 比如 在前端把处理结果制作完毕后, 把图像数据存放到显 示 RAM 里同时显示出来。图 3 是一个 USB 图像采 集处理系统, 通过 CH375 USB 接口芯片采集 USB 传 输来的图像数据, 经 DSP 处理后在 VGA 上显示, 帧 存 A、 作为图像显示切换之用, 即一帧存配合 FPGA B 时序完成显示, 另一等待或存储 DSP 处理的图像数 据结果。在 FPGA 里通过前面的方法把构造的行、 场

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VGA 接口显示器给我们提供了一个方便的显 示方案, 通过 F PGA 构造显示时序、 以及 ADV7123 实现数模转化, 在面积和速度上能够满足我们大部 分的显示应用。实践证明基于 F PGA 和 ADV7123 的 VGA 显示接口能够很好地在多种场合应用。 参考文献:
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图 3 设计在 U SB 图像采集处处理系统的应用


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