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基于Basys開發(fā)板的VGA顯示控制設(shè)計※

2014-09-25 03:05:46徐彬詹華群
關(guān)鍵詞:設(shè)計

徐彬,詹華群

(江西科技師范大學(xué)通信與電子學(xué)院,南昌330000)

引 言

如今隨著液晶顯示器的出現(xiàn),越來越多的數(shù)字產(chǎn)品開始使用液晶作為顯示終端。基于VGA標(biāo)準(zhǔn)的顯示器仍是目前普遍使用的顯示器。若驅(qū)動此類顯示器,需要很高的掃面頻率,以及極短的處理時間。正是由于這些特點,所以可以用FPGA來實現(xiàn)對VGA顯示器的驅(qū)動。

雖然VGA專用芯片具有更穩(wěn)定的VGA時序和更多的顯示模式可供選擇,但設(shè)計和使用VGA顯示控制更具有以下優(yōu)勢:

①使用芯片更少,節(jié)省板上資源,減小布線難度;

②當(dāng)進行高速數(shù)據(jù)傳輸時,具有更小的高頻噪聲干擾;

③FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)設(shè)計VGA接口可以將要顯示的數(shù)據(jù)直接送到顯示器,節(jié)省了計算機的處理過程,加快了數(shù)據(jù)的處理速度,節(jié)約了硬件成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架

VGA顯示控制整體設(shè)計方案框圖如圖1所示,將其劃分為電源模塊、時鐘電路模塊、VGA接口模塊、字庫/圖庫模塊、顯示器等。再利用Verilog語言對FPGA的各個子模塊進行編程設(shè)計,同時對各個子模塊的功能分別進行調(diào)試,最后將所有調(diào)試成功的子模塊并在一個頂層模塊下,最終實現(xiàn)VGA顯示控制設(shè)計。

圖1 VGA顯示控制整體設(shè)計方案框圖

2 VGA顯示控制的FPGA實現(xiàn)

2.1 存儲功能模塊

存儲功能模塊的主要功能是存儲圖片色彩信息,其存儲媒介為FPGA內(nèi)部的硬核塊RAM,塊RAM是以硬核的方式內(nèi)嵌到FPGA芯片中的,不占用芯片的邏輯資源,是FPGA芯片內(nèi)部的一種寶貴資源。FPGA內(nèi)嵌的塊RAM組件可配置為單口RAM、雙口RAM、分布式ROM、塊ROM和先進先出存儲器FIFO等存儲結(jié)構(gòu)。

本文只進行圖片的顯示,所以使用單口的塊ROM存儲圖片信息,如果想實現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計,如文字的滾動顯示、圖片的動畫顯示等,可以使用雙口RAM進行設(shè)計。由于圖片信息比較大,而BASYS板子上的資源又有限,這就要求圖片不易過大。搜集的各種資料和不斷的實驗結(jié)果表明,大小在8 192字節(jié)內(nèi)的圖片是可以顯示的。這里第一幅圖選用自己的名字徐彬。圖片信息大小為:63×32×8=16 128位。第二幅選用江西科技師范大學(xué)。圖片信息大小為120×50×8=48 000位。尋找到圖片后,利用Xilinx ISE中的IP核生成工具Core Generator生成單口ROM,如圖2所示。

圖2 單口ROM圖

將要顯示的圖片信息存儲到塊ROM中。第一幅圖片選擇數(shù)據(jù)寬度為8,深度為2 016的ROM。第二幅圖片選擇的ROM數(shù)據(jù)寬度為8,深度為6 000。在工程里使用IP核生成工具生成單口ROM,在生成過程中處理好ROM的數(shù)據(jù)寬度和深度。塊存儲的時候,需要加載的是一個.coe文件來初始化存儲器的內(nèi)容,這時候需要用到Image2Lcd軟件,取圖片的色彩信息保存為.coe文件初始化到ROM中。

2.2 VGA控制模塊

時序的驅(qū)動是設(shè)計VGA顯示控制的一個重要問題,關(guān)系到設(shè)計是否成功。時序若不正確,則不能夠正確地顯示,有時候甚至還會損害顯示設(shè)備。因此,時序的設(shè)計必須嚴(yán)格遵循VGA的標(biāo)準(zhǔn),在此設(shè)計中使用的分辨率為800×600,要求像素時鐘為50MHz。

圖3 VGA時序圖

根據(jù)VGA時序的標(biāo)準(zhǔn)行、場同步信號有4種狀態(tài),時序圖如圖3所示,具有同步脈沖信號(Sync)、顯示后沿信號(Back porch)、I顯示的時間間隔(Display interval)、顯示前沿(Front porch),這4種狀態(tài)具有很清晰的時序規(guī)律。設(shè)置兩個計數(shù)器,模為1056的行計數(shù)器和模628的列計數(shù)器,系統(tǒng)時鐘為50MHz用來控制行計數(shù)器,通過計數(shù)器的值來控制行信號HSYNC,然后在通過行信號HSYNC來控制列計數(shù)器,通過計數(shù)器的值來控制列信號VSYNC。

2.3 ROM讀取控制模塊

ROM讀取控制模塊是VGA顯示設(shè)備和存儲數(shù)據(jù)信息ROM之間的通道,為了使VGA顯示設(shè)備能夠準(zhǔn)確地顯示圖片信息,必須嚴(yán)格遵循顯示設(shè)備的掃描規(guī)律,產(chǎn)生相應(yīng)的顯示信息。

首先,在程序中通過兩次例化分別調(diào)用存儲在FPGA內(nèi)嵌ROM中的兩幅圖,然后在程序中通過坐標(biāo)定位將圖片顯示到想要顯示的區(qū)域。本文的兩幅圖片分別將顯示區(qū)域定在從屏幕的(500,350)坐標(biāo)到(563,382)坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)從屏幕的(400,350)坐標(biāo)到(520,400)坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)。

因為設(shè)計實現(xiàn)的功能是利用鍵盤上的按鍵對兩幅圖進行切換,所以不必?fù)?dān)心顯示區(qū)域有重疊而產(chǎn)生覆蓋現(xiàn)象。在圖片的顯示過程中,每當(dāng)坐標(biāo)計數(shù)器刷新到圖片顯示指定區(qū)域內(nèi)時,就要判斷相應(yīng)掃描點所包含的圖片信息,將其賦給RGB進行色彩的顯示。

3 PS2顯示控制器的FPGA實現(xiàn)

3.1 PS/2傳輸協(xié)議

PS/2鍵盤到主機單向通信的原理如下:PS/2主從設(shè)備之間采用雙向同步串行的機制進行數(shù)據(jù)傳輸,從設(shè)備的晶振時鐘信號作為通信過程中的同步時鐘信號,鍵盤發(fā)送到主機的每一幀數(shù)據(jù)包含11位二進制代碼,每位數(shù)據(jù)在鍵盤時鐘的下降沿被主機從數(shù)據(jù)線上讀走。PS/2傳輸協(xié)議如圖4所示。

圖4 PS/2傳輸協(xié)議

這11位數(shù)據(jù)的含義分別是:START為起始位,總是為0,以作設(shè)備同步之用;8個數(shù)據(jù)位DATA0~DATA7低位在前;PARTTY為奇校驗位;STOP為停止位,總是為1。正如鍵按下就會有掃描碼(通碼)發(fā)往主機一樣,只要鍵一釋放,就會有掃描碼(斷碼)發(fā)往主機。

每個按鍵都被分配了唯一的通碼和斷碼。PS/2鍵盤第二套掃描碼中,大多數(shù)按鍵的通碼只有一個字節(jié),一幀就可以發(fā)完,這些按鍵的斷碼一般是在通碼前面加個F0h,所以這些兩個字節(jié)的斷碼就需要兩幀來發(fā)送。比如G鍵的通碼34h、G鍵的斷碼F0h34h,按下G鍵后,然后松開G鍵,鍵盤就會依次向主機發(fā)送34h、F0h34h。但此次設(shè)計所用到的輸入按鍵是通碼有兩個字節(jié),斷碼有三個字節(jié)的特殊按鍵。

3.2 鍵盤按鍵控制實現(xiàn)

設(shè)計中只用到了兩個按鍵——左鍵和右鍵,而且實驗只需用左鍵控制第一幅圖片的顯示,右鍵控制第二幅圖片的顯示。因此,只需要在程序中檢測到這兩個按鍵的通碼即可,即檢測到左鍵的通碼到來即顯示徐彬二字的圖片,當(dāng)松開按鍵時,不需要考慮其斷碼需要帶來某種操作,繼續(xù)保持第一幅圖片的顯示。

當(dāng)檢測到右鍵的通碼到來即顯示江西科技師范大學(xué)的圖片,當(dāng)松開按鍵時,也不需要考慮其斷碼需要帶來的某種操作,繼續(xù)保持住第二幅圖片的顯示。而對其余的按鍵在本次設(shè)計中暫不需要考慮。

4 數(shù)碼管動態(tài)顯示控制

4.1 數(shù)碼管點亮控制

數(shù)碼管按其段數(shù)分可七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管,它們的區(qū)別在于八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光的二極管單元,即多一個小數(shù)點顯示段。按照顯示“8”的個數(shù),又可分為1位、2位、4位等數(shù)碼管。

數(shù)碼管按發(fā)光二極管的連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陽極連接到一起形成一個公共陽極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管應(yīng)用時,應(yīng)將公共陽極接到+5V或+3.3V,若某一段的發(fā)光二極管的陰極為低電平,則相應(yīng)段就點亮,若為高電平,則相應(yīng)段就不被點亮。共陰數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成一個公共陰極的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管應(yīng)用時應(yīng)將公共陰極接地,若某一段發(fā)光二極管的陽極為高電平,則相應(yīng)段就被點亮,若某段的陽極為低電平時,則相應(yīng)段就不被點亮。

可以看出數(shù)碼管是共陽極的4位數(shù)管碼,即給低電平時數(shù)碼管點亮,如圖5所示。

4.2 數(shù)碼管數(shù)字顯示控制:

由于所有數(shù)碼管共用一個段選,為了能夠獨立顯示每位數(shù)碼管,只能用位選來區(qū)分不同的數(shù)碼管。即每次只將某一位數(shù)碼管的位選置為有效,其他的數(shù)碼管位選都無效。此時的段選決定了該位數(shù)碼管的顯示內(nèi)容,然后在下一時刻,置下一位數(shù)碼管的位選有效,而其他的數(shù)碼管位選都無效。依此類推,不斷循環(huán)往復(fù)。

每次位選刷新速度比較快,同時由于數(shù)碼管自身的余輝特性,使每位數(shù)碼管在其變暗之前就又會被重新刷新,因此人眼則無法感覺到數(shù)碼管變暗。如果刷新頻率低于一定值,則人眼會感覺到數(shù)碼管在閃爍。所以,一般刷新頻率會在60Hz~1kHz之間,這樣多位數(shù)碼管顯示比較理想。

圖5 數(shù)碼管點亮

該設(shè)計是在開發(fā)板Basys上進行實驗,其是共陽極的4位數(shù)碼管,而在此項目工程中只需使用到1個數(shù)碼管,所以在動態(tài)顯示中將其他的3位數(shù)碼管置1屏蔽不亮。程序如下:

這樣即實現(xiàn)了實驗所想達到的要求。

以上是對位選的一個介紹,而對于段選,數(shù)碼管可以顯示從0到f這16個字符,只需要分別對0到f進行編碼顯示。本次設(shè)計不需要如此復(fù)雜,由于只用到1和2兩個數(shù)字,因此,對1和2進行段選編碼即可。程序如下:

這樣即實現(xiàn)了實驗所想達到的要求。

5 實驗結(jié)果

5.1 實驗的環(huán)境

實驗的環(huán)境包括:

①開發(fā)工具:Xilinx ISE 9.1。

②開發(fā)語言:硬件描述語言verilog HDL。

③目標(biāo)板:Xilinx公司Basys開發(fā)板。

5.2 實驗結(jié)果

如圖6、圖7所示,屏幕上顯示兩幅圖片,利用鍵盤,通過控制鍵盤的左右鍵實現(xiàn)對兩幅圖片的切換,并使用數(shù)碼管顯示。當(dāng)按下左鍵的時候屏幕出現(xiàn)第一幅圖片(徐彬)并且數(shù)碼管顯示為1,當(dāng)按下右鍵的時候屏幕出現(xiàn)第二幅圖片(江西科技師范大學(xué))并且數(shù)碼管顯示為2。

圖6 實驗圖一

圖7 實驗圖二

實驗結(jié)果已經(jīng)達到了預(yù)想的效果。如果增加塊ROM的容量,則可以顯示更大的圖片,更改方便,也可以調(diào)整圖片的顯示位置。

結(jié) 語

利用FPGA完成VGA顯示控制,可以使圖像的顯示脫離PC機的控制,形成體積小、功耗低的格式嵌入式系統(tǒng)(便攜式設(shè)備或手持設(shè)備),應(yīng)用于地面勘測、性能檢測等方面,具

有重要的現(xiàn)實意義。該技術(shù)方案已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場中有多種實際應(yīng)用。

本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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