基于FPGA的VGA彩色圖片的顯示-1

1、基于FPGA的VGA彩色圖片的顯示論文摘要：本論文依據(jù)VGA接口原理采用了Verilog HDL語言對Altera的Cyclone系列的FPGA進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過MATLAB二值化得到圖片顏色的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)存儲到ROM中，然后讀取ROM中的數(shù)據(jù)直接送到顯示器，節(jié)省了計(jì)算機(jī)的處理過程，加快了數(shù)據(jù)的處理速度，節(jié)約了硬件本錢。此方案可以廣泛應(yīng)用于各種儀器,數(shù)字視頻系統(tǒng)、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現(xiàn)等。論文關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列,圖像控制器,只讀存儲引言VGA接口顯示器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及智能儀器中重要的顯示終端設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口需要提供以下幾組根本的信號:行同步信號Hsync場同步

2、信號Vsync以及紅黃藍(lán)3路模擬信號。因此要使數(shù)字圖像信息在VGA接口顯示器正確、完整地顯示,就涉及到了時(shí)序的構(gòu)建和數(shù)字圖像信息的模擬化兩方面。如果接口前端無可供利用的時(shí)序信息,那么就可參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)造時(shí)序,這可利用可編程器件很方便地實(shí)現(xiàn);另外由于VGA是一個(gè)模擬的接口標(biāo)準(zhǔn),因此數(shù)字圖像信息模擬化可用視頻DA轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。VGA標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前最常用的視頻顯示標(biāo)準(zhǔn),還包括SVGA、XVGA等子標(biāo)準(zhǔn)。本文主要以640 x480,60Hz下VGA顯示標(biāo)準(zhǔn)為例,實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足多方面需求的VGA顯示終端接口。設(shè)計(jì)可應(yīng)用于圖像處理、視頻信號再現(xiàn)、數(shù)據(jù)可視化分析等方面,實(shí)現(xiàn)方法和器件的選取以及設(shè)計(jì)應(yīng)用列舉都具有

3、典型的代表意義。理論分析VGA顯示接口的硬件設(shè)計(jì)和原理(1)根本原理說明這次系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的顯示器是滿足VGA標(biāo)準(zhǔn)的常用的彩色顯示器，由CRT陰極射線管構(gòu)成，彩色由G、R、B綠：Green，紅：Red，藍(lán)：Blue三基色組成。顯示那么用逐行掃描的方式解決，陰極射線槍發(fā)出電子束打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生GRB三基色，合成一個(gè)彩色像素。硬件選用了AnalogDevice公司的ADV7123。ADV7123由三個(gè)10位高速DAC組成，最高時(shí)鐘速率為240MHZ，即可以到達(dá)最高240MS/s的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)f(CLK)=140MHZ，f(OUT)=40MHZ時(shí)，DAC的SFDR無雜散動態(tài)范圍為-53

4、dB；當(dāng)f(CLK)=40MHZ，f(OUT)=1MHZ時(shí)，DAC的SFDR為-70dB。ADV7123的BLANK引腳可以用來輸出空白屏幕。ADV7123在100Hz的刷新率下最高分辨率為1600 x1200。顯示器的顯示原理掃描從屏幕的左上方開始，從左到右，從上到下，進(jìn)行掃描，每掃完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這個(gè)回掃的時(shí)間內(nèi)，CRT對電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號進(jìn)行行同步；掃描完所有行，用場同步信號進(jìn)行場同步，并使掃描回到屏幕的左上方，在離開屏幕右下角回到屏幕左上角的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行場消隱，預(yù)備下一場的掃描。信號接口對于普通的VGA顯示器，其引出線共含5個(gè)信號：G

5、、R、B：三基色信號；HS：行同步信號；VS：場同步信號。對于5個(gè)信號的時(shí)序驅(qū)動，對于VGA顯示器要嚴(yán)格遵循640 x480 x60Hz模式。其中640是指每一行中顯示的像素個(gè)數(shù)，而480是指屏幕每一列所包含的像素個(gè)數(shù)。(2)Hs與Vs驅(qū)動信號的產(chǎn)生我們常把要顯示的數(shù)據(jù)如圖像處理結(jié)果存放到存儲器里,如果要把顯示存儲器里的圖像在VGA接口顯示器顯示,大多情況下,掃描時(shí)序是需要我們構(gòu)造的。以640 x480,59.94Hz(60Hz)為例。VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定具體地，在掃描過程中的時(shí)序圖如圖1所示：圖1VGA行掃描、場掃描時(shí)序圖,每場信號對應(yīng)525個(gè)行周期,其中480行為圖像顯示行,每場有場同步信號

6、,該脈沖寬度為2個(gè)行周期的負(fù)脈沖;每顯示行包括800點(diǎn)時(shí)鐘,其中640點(diǎn)為有效顯示區(qū),每行有一個(gè)行同步信號負(fù)脈沖,該脈沖寬度為96個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘。這樣我們可以知道,行頻為525x59.94Hz即31469Hz,需要的點(diǎn)時(shí)鐘頻率為:525x800 x59.94Hz約25MHz。由上圖可知，實(shí)際上在真正的實(shí)現(xiàn)過程中，每一行掃描所花的時(shí)間實(shí)際上比顯示一行的像素所需的時(shí)間多了800-640=160個(gè)像素的時(shí)間而每一屏的掃描時(shí)間那么是顯示525行的時(shí)間，而不是480行的時(shí)間。VGA顯示接口的驗(yàn)證方法在正式調(diào)試或使用接口前,對設(shè)計(jì)進(jìn)行根本測試、論證是有必要的,通常方法是盡可能脫離其它不確定因素,只對關(guān)心這局部電

7、路進(jìn)行測試。如果在FPGA里構(gòu)造的數(shù)據(jù)能夠按要求在顯示器上顯示,那么表示根本可以使用了。例如把計(jì)數(shù)器輸出作為DA的紅綠藍(lán)數(shù)字信號輸入,以H_Cnt作為計(jì)數(shù)脈沖,并引入上述的時(shí)序信號,正常情況下顯示器顯示結(jié)果是水平方向是反復(fù)由亮到暗,或是由暗到亮顯示。還可以利用FPGA里的LPM_ROM預(yù)存顯示數(shù)據(jù)輸出作為顯示數(shù)據(jù)。仍以H_Cnt作為計(jì)數(shù)脈沖,計(jì)數(shù)器作為地址發(fā)生器,輸出到LPM_ROM,作為地址。簡便起見，我們把128*128的彩色圖像的信息保存到ROM中，每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值保存為一個(gè)30位ADV7123由三個(gè)10位高速DAC組成的數(shù)據(jù)，其保存的順序?yàn)橄鹊谝恍袕淖蟮接业?28個(gè)像素顏色數(shù)據(jù)，然后

8、保存下一行的數(shù)據(jù)，其他地址線共有14位。圖片RGB顏色的值通過用matlab將圖片二值化得到時(shí)鐘信號50MHZ進(jìn)過FPGA上的鎖相環(huán)進(jìn)行分頻處理得到25MHZ的時(shí)鐘信號。parameterLength=128;/定義圖片顯示的大小parameterWidth=128;always(posedgeVGA_CLK)/行計(jì)數(shù)到達(dá)計(jì)數(shù)周期將重置beginif(H_Cnt=H_Tg-1)H_CntelseH_Cntendalways(negedgeHs)/場計(jì)數(shù)到達(dá)計(jì)數(shù)周期將重置beginif(V_Cnt=V_Tg-1)V_CntelseV_Cntendalways(posedgeVGA_CLK)/產(chǎn)生

9、行同步信號beginif(H_CntelseHsendalways(V_Cnt)/產(chǎn)生場同步信號beginif(V_CntelseVsendalways(posedgeVGA_CLK)begin/在顯示器上顯示范圍的控制if(H_Cnt=H_Ta+H_Tb+H_TcH_CntV_Cnt=V_Ta+V_Tb+V_TcV_Cntbegin/ROM讀取控制和數(shù)據(jù)處理RGBaddress地址加1endelsebeginRGBend要把一幅圖像的數(shù)據(jù)寫入ROM，首先必須解決的就是寫入文件的格式問題。一般的方法是通過編程器把IntelHex,或者二進(jìn)制文件.bin逐字節(jié)寫入ROM。而圖像都具有固定的格式，

10、如BMP，JPEG，GIF等，其中的BMP格式圖像是一種很常見的圖像格式，沒有經(jīng)過壓縮處理，且文件結(jié)構(gòu)相對簡單，易于處理，在本設(shè)計(jì)中采用了BMP圖像作為研究對象。將BMP文件直接轉(zhuǎn)化為IntelHex文件比擬困難，因此可先將BMP格式文件轉(zhuǎn)化成mif格式文件，再由QuartusII9.0直接將mif文件轉(zhuǎn)化為IntelHex文件，最后再將圖像數(shù)據(jù)燒寫入ROM中，本設(shè)計(jì)中，我們首先通過MATLAB將要顯示的圖片進(jìn)行處理得到RGB三個(gè)顏色的分量，然后通過編程將各顏色分量生成一個(gè)mif文件，用于初始化LPM_ROM，利用QuartusII9.0自帶的MegaWizardPlug-InManager創(chuàng)立存儲RGB值的ROM模塊,同樣利用QuartusII軟件生產(chǎn)一個(gè)存儲器初始化.mif文件，其大小為Wordsize=32，Numberofwords=16384，將生產(chǎn)的RGB顏色值導(dǎo)入到mif文件中。結(jié)語VGA接口顯示器給我們提供了一個(gè)方便的顯示方案,通過FPGA構(gòu)造顯示時(shí)序、以及ADV7123實(shí)現(xiàn)