FPGA+MCU實現(xiàn)VGA圖象信號發(fā)生器

1、引言

　　VGA(視頻圖形陣列)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口在視頻和計算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA圖像信號發(fā)生器是電視臺、電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、電視維修人員常用的儀器，其主要功能就是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的圖像測試信號。

　　本文采用FPGA+MCU方案，利用了Cyclone系列的FPGA高達(dá)上百兆的工作頻率特性為圖像數(shù)據(jù)處理提供了良好的實時性，其內(nèi)部集成的數(shù)字鎖相環(huán)為系統(tǒng)的工作時鐘提供的良好的穩(wěn)定性，其內(nèi)部嵌入的存儲器可以存儲一定容量的圖像信息，豐富的I/O資源可以隨即擴(kuò)展外接大容量存儲器的特性，因此由 FPGA完成對圖像數(shù)據(jù)的處理及產(chǎn)生行場掃描時序信號。很好地實現(xiàn)了圖象數(shù)據(jù)處理的實時性和穩(wěn)定性，達(dá)到了性能與價格的完美統(tǒng)一。此外，F(xiàn)PGA的電路可重構(gòu)性，為系統(tǒng)功能更改和升級以及功能擴(kuò)展提供了很大的設(shè)計空間。由微控制器完成功能設(shè)置與控制，如鍵盤掃描，模式選擇與顯示控制等。

　　2、系統(tǒng)的工作原理和組成框圖

　　FPGA是整個系統(tǒng)的核心，通過對其編程可輸出RGB三基色信號和HS 、VS行場掃描同步信號。當(dāng) FPGA接受單片機(jī)輸出的控制信號后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器模塊根據(jù)控制信號選通相應(yīng)的圖像生成模塊，輸出圖像信號，與行場掃描時序信號一起通過15針D型接口電路送入VGA顯示器，在VGA顯示器上便可以看到對應(yīng)的彩色圖像。FPGA所需的工作時鐘由外部高精度有源晶振提供;單片機(jī)控制器分析鍵盤掃描結(jié)果，控制液晶顯示模塊顯示相應(yīng)的功能，由LCD顯示輸出圖象和按鍵控制模式，并送出相應(yīng)控制信號給FPGA，系統(tǒng)原理框圖如圖1。

　　3、VGA顯示器原理

　　工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示模式為：640×468×16色×60Hz。常見的彩色顯示器，一般由CRT (陰極射線管)構(gòu)成，彩色是由R、G、B(紅、綠、藍(lán))三基色組成，CRT用逐行掃描或隔行掃描的方式實現(xiàn)圖像顯示，由VGA控制模塊產(chǎn)生的水平同步信號和垂直同步信號控制陰極射線槍產(chǎn)生的電子束，打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生R、G、B三基色，合成一個彩色像素。掃描從屏幕的左上方開始，由左至右，由上到下，逐行進(jìn)行掃描，每掃完一行，電子束回到屏幕下一行的起始位置，在回掃期間，CRT對電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束是用行同步信號HS進(jìn)行行同步;掃描完所有行，再由場同步信號VS進(jìn)行場同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時進(jìn)行場消隱，預(yù)備下一場的掃描。行同步信號HS 和場同步信號VS是兩個重要的信號。顯示過程中，HS 和VS的極性可正可負(fù)，顯示器內(nèi)可自動轉(zhuǎn)換為正極性邏輯。

　　行同步信號HS和場同步信號VS的時序圖如圖2所示， T1為行同步消隱(約為6μs);T2為行顯示時間(約為26μs);T3為場同步消隱(兩個行周期);T4為場顯示時間(480個行周期)。

　　行同步信號HS和場同步信號VS與圖象信號R、G、B的時序關(guān)系如圖3所示。

　　對于VGA 顯示器的上述五個信號的時序驅(qū)動要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640×480×60HZ模式，否則無法顯示正確地圖象。