摘要：依據(jù)標準的VGA顯示接口的顯示原理，介紹了一種利用可編程邏輯器件FPGA，并以VerilogHDL語言為邏輯描述工具來完成VGA接口的控制，從而實現(xiàn)簡單的彩色條紋顯示的具體方法。
關(guān)鍵宇：VGA；FPGA；VerilogHDL；彩色條紋顯示

0 引言
    VGA作為一種標準的顯示接口，現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的VGA顯示控制主要以專門的芯片電路和通用處理器來實現(xiàn)，體積大且不靈活。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件有了長足的發(fā)展。FPGA是現(xiàn)場可編程邏輯陣列器件，簡化的FPGA基本由可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式RAM模塊、豐富的布線資源、底層嵌入式功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等6部分組成。基于FPGA的產(chǎn)品設(shè)計具有開發(fā)過程簡單，投資小，可反復(fù)修改，周期短，易于產(chǎn)品升級等優(yōu)點，故其應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了一種用FPGA實現(xiàn)VGA顯示的控制器，從而實現(xiàn)簡易彩色條紋顯示，并在此基礎(chǔ)上通過外加存儲器模塊來完成圖像的實時處理與顯示的實現(xiàn)方法，該方法也可方便地應(yīng)用于各種嵌入式便攜系統(tǒng)中。

1 VGA的顯示原理
    VGA是IBM在1987年隨PS／2機一起推出的一種視頻傳輸標準。這個標準具有分辨率高、顯示速度快、顏色豐富等優(yōu)點。根據(jù)分辨率不同，VGA又可分為VGA(640x480)、SVGA(800x600)、XGA(1024x768)等。VGA顯示采用逐行掃描方式。掃描是從屏幕的左上方開始，從左到右，從上到下。每掃完一行，電子束回到左邊下一行的開始位置，期間對電子束進行行消隱。并在每行結(jié)束時，用行同步信號對行進行同步，掃描完所有行后，再用場同步信號對場進行同步，并使電子束回到屏幕的左上方，同時對場進行消隱，并預(yù)備下一次掃描。該方法的關(guān)鍵是對時序的控制。
1．1 VGA時序
    確定VGA顯示接口時序主要應(yīng)考慮行同步信號(HSYNC)、場同步信號(VSYNC)、藍基色(B)、紅基色(R)、綠基色(G)這5個信號，如果能從FPGA中按其時的需要求準確發(fā)送這些信號到VGA接口，就可以實現(xiàn)對VGA的控制。VGA的信號時序如圖1所示，它分為行數(shù)據(jù)時序和場數(shù)據(jù)時序兩部分。
    所謂行時序，就是顯示一行數(shù)據(jù)的時序。從圖1(a)可以看出，顯示一行數(shù)據(jù)需要的時序分四部分。產(chǎn)生行同步脈沖信號HSYNC的周期e=a+ b+c+d。其中a為同步信號時間。b為行消隱后肩時間，c為數(shù)據(jù)有效時間，d為行消隱前肩。從圖(b)可以看出，場同步時序與行同步時序類似，也是顯示一屏數(shù)據(jù)的時序，這里以行為單位。場同步脈沖信號VSYNC的周期L=h+i+j+k，其中h為同步信號時間，i為場消隱后肩時間，j為數(shù)據(jù)有效時間，k為場消隱前肩時間。

    不同的分辨率下，行同步和場同步信號的周期是不同的，時序上的時間也不一樣。表1列出了VGA的常用分辨率參數(shù)。

    本設(shè)計以640x480且刷新頻率為60Hz為例，其顯示器每秒掃描60場，VGA在實際工作時并不是每行掃描640個點，每場掃480行，由圖及表1可知，由于行消隱和場消隱的存在，實際是每行800個像素，每場525行。每行800個像素中包括行消隱前肩d(16個點)、行同步信號a(96個點)、行消隱后肩b(48個點)和有效點數(shù)c(640個)。每場525行中包括場消隱前肩k(10行)、場同步信號h(2行)、場消隱后肩i(33行)和有效行數(shù)j(480行)。所以，點像素的時鐘頻率為800x525x60=25．175MHz。
1．2 VGA時序控制信號的產(chǎn)生
    VGA時序控制信號的產(chǎn)生包括行點計數(shù)器h_cnter、場行計數(shù)器v_enter、行同步狀態(tài)機和場同步狀態(tài)機。h_enter是800進制計數(shù)器，v_ cnter是525進制計數(shù)器。行同步狀態(tài)機有a(行同步)狀態(tài)、b(行消隱后肩)狀態(tài)、c(數(shù)據(jù)有效)狀態(tài)和d(行消隱前肩)狀態(tài)，4種狀態(tài)可根據(jù)h_ enter的值進行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。場同步狀態(tài)包括h(場同步)狀態(tài)、i(場消隱后肩)狀態(tài)、j(數(shù)據(jù)有效)狀態(tài)和k(場消隱前肩)狀態(tài)，4種狀態(tài)也可根據(jù)v_enter的值進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

    當(dāng)狀態(tài)機上電復(fù)位后，行狀態(tài)機進入a狀態(tài)，此時HSYNC輸出為低，行計數(shù)器h_enter開始對25MHz的點時鐘計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到95時，轉(zhuǎn)移到b狀態(tài)，而當(dāng)計數(shù)到143時，從b狀態(tài)轉(zhuǎn)移到c狀態(tài)，當(dāng)計數(shù)到783時，從c狀態(tài)轉(zhuǎn)移到d狀態(tài)。在b、c、d三狀態(tài)時，HYNC輸出為高。當(dāng)狀態(tài)機上電復(fù)位后，場同步狀態(tài)機進入h狀態(tài)，每當(dāng)行計數(shù)器h_cater=7991時場行計數(shù)器v_enter加1，當(dāng)v_enter=1時，狀態(tài)機從h狀態(tài)轉(zhuǎn)移到i狀態(tài)，當(dāng)v_enter=34時，狀態(tài)機轉(zhuǎn)移到j(luò)狀態(tài)，當(dāng)v_enter=514時，狀態(tài)機轉(zhuǎn)移到h狀態(tài)，此時場同步信號VSYNCS輸出為低，其他狀態(tài)輸出為高。只有當(dāng)行同步狀態(tài)機在c狀態(tài)且場同步狀態(tài)機在j狀態(tài)時，才能向RGB輸入數(shù)據(jù)。

2 彩色條紋的實現(xiàn)
    本部分包括彩色條紋模式顯示控制、橫彩條的實現(xiàn)、豎彩條的實現(xiàn)和棋盤格實現(xiàn)等。豎彩條可根據(jù)行計數(shù)器產(chǎn)生，在640個有效數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，每80個產(chǎn)生一個彩條，即對其進行8等分。橫彩條則可根據(jù)場計數(shù)器產(chǎn)生，在480個有效區(qū)內(nèi)，每六十個產(chǎn)生一個彩條，也是8等分。棋盤格可由橫彩條數(shù)據(jù)和豎彩條數(shù)據(jù)異或而得到?？赏ㄟ^撥碼開關(guān)sw1、sw2來控制彩色條紋類型的輸出。其部分Verilog HDL代碼如下：



3 結(jié)束語
    本設(shè)計主要通過FPGA來完成對VGA的控制。此方案簡單靈活且修改方便，可以充分發(fā)揮FPGA的靈活性。另外，此設(shè)計采用參數(shù)化設(shè)計，可方便的通過修改參數(shù)來滿足不同分辨率的實現(xiàn)，同時在此基礎(chǔ)上，通過外加存儲器模塊可以完成圖像的實時處理和顯示，因而可在嵌入式方面得到廣泛的應(yīng)用。