基于FPGA的VGA彩色圖片的顯示

1、基于FPGA的VGA彩色圖片的顯示摘要：本論文依據(jù)VGA接口原理采用了Verilog HDL語言對(duì)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(chǔ)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(hào)再現(xiàn)等。論文關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,VerilogHDL,VGA圖像控制器,MATLAB,只讀存儲(chǔ)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

2、的信號(hào):行同步信號(hào)Hsync場(chǎng)同步信號(hào)Vsync以及紅黃藍(lán)3路模擬信號(hào)。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(hào)再現(xiàn)、數(shù)據(jù)可視化分析等方面,實(shí)現(xiàn)

3、方法和器件的選取以及設(shè)計(jì)應(yīng)用列舉都具有典型的代表意義。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Analog Device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)=40MH

4、Z時(shí)，DAC的SFDR無雜散動(dòng)態(tài)范圍為-53dB；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(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行行同步；掃描完所有行，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)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(chǎng)消隱，預(yù)備下一場(chǎng)的掃描。信號(hào)接口對(duì)于

5、普通的VGA顯示器，其引出線共含5個(gè)信號(hào)：G、R、B：三基色信號(hào)；HS：行同步信號(hào)；VS：場(chǎng)同步信號(hào)。對(duì)于5個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)，對(duì)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(dòng)信號(hào)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(chǔ)器里,如果要把顯示存儲(chǔ)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. 94 Hz(60 Hz)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1 VGA行掃描、場(chǎng)掃描時(shí)序圖,每場(chǎng)信號(hào)對(duì)應(yīng)5

6、25個(gè)行周期,其中480行為圖像顯示行,每場(chǎng)有場(chǎng)同步信號(hào),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(hào)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. 94 Hz 即31469 Hz ,需要的點(diǎn)時(shí)鐘頻率為:525x800 x59.94 Hz約25 MHz。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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行根本

7、測(cè)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(duì)關(guān)心這局部電路進(jìn)行測(cè)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(hào)輸入,以H_Cnt作為計(jì)數(shù)脈沖,并引入上述的時(shí)序信號(hào),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(jiǎn)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

8、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。步驟如下1、從文件讀取圖像到MATLABRGB=imread(1.bmp)命令窗口會(huì)一次顯示出圖像的R,G,B值2、 imtool(RGB)顯示讀入的圖片3、用紅，綠，藍(lán) 三色顯示圖片 r(:,:,1)=RGB(:,:,1);r(:,:,2)=0;r(:,:,3)=0;g(:,:,2)=RGB(:,:,2);g(:,:,1)=0;g(:,:,3)=0;b(:,:,3)=RGB(:,:,3);b(:,:,1)=0;b(:,

9、:,2)=0;subplot(1,3,1),imshow(r);subplot(1,3,2),imshow(g);subplot(1,3,3),imshow(b);4、獲取單色值 for i=1:128for j=1:128R(i,j)=RGB(i,j,1);G(i,j)=RGB(i,j,2);B(i,j)=RGB(i,j,3);endend;5、將R,G,B的值取出存放到R.txt G.txt B.txt 中6、將R,G,B數(shù)據(jù)按要求存放到mif文件中例如 R=255d G=10d B=1d，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為 00FF0A01由于要轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)量較多,可寫段程序來完成。#includevoid m

10、ain()FILE *R,*G,*B,*out;long start=6,t;int r,g,b;char buf【6】;R=fopen(R.txt,r);G=fopen(G.txt,r);B=fopen(B.txt,r);out=fopen(out.txt,w);while(!feof(R) | !feof(G) | !feof(B)fscanf(R,%d,r);fscanf(G,%d,g);fscanf(B,%d,b);t=start+;for(int i=5;i=0;i-)buf=t%16;t=t4;/輸出數(shù)據(jù)地址for(i=0;ifprintf(out,%X,buf);/數(shù)據(jù)打印局部f

11、printf(out,: 00);fprintf(out,%X,b/16);fprintf(out,%X,b%16);fprintf(out,%X,g/16);fprintf(out,%X,g%16);fprintf(out,%X,r/16);fprintf(out,%X,r%16);fputc( ,out);printf(任務(wù)以結(jié)束! );時(shí)鐘信號(hào)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(hào)。parameter Length = 128;/定義圖片顯示的大小parameter Width = 128;always (posedge VGA_CLK ) /行計(jì)數(shù)到達(dá)計(jì)數(shù)

12、周期將重置beginif(H_Cnt=H_Tg-1) H_Cnt else H_Cntendalways ( negedge Hs)/場(chǎng)計(jì)數(shù)到達(dá)計(jì)數(shù)周期將重置beginif(V_Cnt=V_Tg-1) V_Cnt else V_Cnt endalways ( posedge VGA_CLK )/產(chǎn)生行同步信號(hào)beginif(H_Cntelse Hsendalways (V_Cnt)/產(chǎn)生場(chǎng)同步信號(hào)beginif(V_Cntelse Vsendalways ( posedge VGA_CLK )begin /在顯示器上顯示范圍的控制if(H_Cnt=H_Ta+H_Tb+H_Tc H_Cnt V_

13、Cnt=V_Ta+V_Tb+V_Tc V_Cnt begin / ROM讀取控制和數(shù)據(jù)處理RGBaddressendelsebeginRGBend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Intel Hex,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，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(duì)簡(jiǎn)單，易于處理，在本設(shè)計(jì)中采用了BMP圖像作為研究對(duì)象。將BMP文件直接轉(zhuǎn)化為Intel Hex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Quartus II 9.0直接將mif文件轉(zhuǎn)化為Intel Hex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Quartus II 9.0自帶的MegaWizard Plug-In Manager創(chuàng)立存儲(chǔ)RGB值的ROM模塊, 同樣利用Quartus II 軟件生產(chǎn)一個(gè)存儲(chǔ)器初始化.mif文件，其大小為Word size=32，Number of words =16384，將生產(chǎn)的RGB顏色值導(dǎo)入到mif