基于基于FPGA的的VGA时序彩条信号设计实现 时序彩条信号设计实现 视频图形阵列(VGA)作为一种标准的显示接口已得到广泛应用。依据VGA的显示原理,"抛弃"VGA的显示专用芯 片,采用现场可编程门阵列(FPGA)产生VGA时序信号和彩条图像信号,并在Altera公司的QuartusⅡ软件环境下完成 VGA时序彩条信号模块的仿真,最后下载到FPGA开发板中进行硬件验证,并在CRT显示器上得到正确的条纹图 像。利用该原理,可以设计更多的彩色图像,且可以对采集图像进行实时显示。 0 引 言 利用现场可编程逻辑器件产生VGA时序信号和彩条图像信号，并将其作为信号源，应用于电视机或计算机等彩色显示器的电 路开发，方便彩色显示器驱动控制电路的调试。计算机显示器的显示有很多标准，常见的有VGA，SVGA等。在这里尝试用 FPGA实现 VGA图像显示控制器，这一过程通过编程实现，之后通过软件的测试和仿真，当软件验证无误后完成硬件的下载 验证，终极在CRT显示器上实现输出，基本原理就是利用FPGA的可编程原理和VGA的时序控制原理，这在产品开发设计中有 很多实际应用。 1 VGA显示原理 VGA(Video Graphics Array)作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用。VGA在任何时刻都必须工作在某一显示模式下，其 显示模式分为字符显示模式和图形显示模式，而在应用中讨论的都是图形显示模式。 VGA的图形模式分为三类：CGA，EGA兼容的图形模式；标准VGA图形模式；VGA扩展图形模式，后两种图形模式统称为 VGA图形模式。文中基于标准VGA模式来实现。产业标准的VGA显示模式为：640×480×16×60。 常见的彩色显示器一般由阴极射线管(CRT)构成，彩色由GRB(Green Red Blue)基色组成。显示采用逐行扫描的方式解决，阴 极射线枪发出电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上，产生GRB基色，合成一个彩色像素。扫描从屏幕的左上方开始，从左到 右，从上到下，逐行扫描，每扫完一行，电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT、对电子束进行消隐， 每行结束时，用行同步信号进行行同步；扫描完所有行，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方，同时进行场 消隐，并预备进行下一次的扫描。VGA显示控制器控制 CRT显示图象的过程如图1所示。 2 VGA信号时序 图2所示是计算机VGA(640×480，60 Hz)图像格式的信号时序图。图2中，V_sync为场同步信号，场周期TVSYNC=16．683 ms，每场有525行，其中480行为有效显示行，45行为场消隐期。场同步信号Vs中每场有1个脉冲，该脉冲的低电平宽度 tWV=63μs(2行)。场消隐期包括场同步时间tWH、场消隐前肩tHV(13行)、场消隐后肩tVH(30行)，共45行。行周期 THSYNC=31．78μs，每显示行包括 800点。其中，640点为有效显示区，160点为行消隐期(非显示区)。行同步信号Hs中每 行有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度tWV=3．81 μs(即96个DCK)；行消隐期包括行同步时间tWH，行消隐前肩tHC(19个 DCLK)和行消隐后肩tCH(45个DCLK)，共160个点时钟。复合消隐信号是行消隐信号和场消隐信号的逻辑与，在有效显示期复 合消隐信号为高电平，在非显示区域它是低电平。 3 VGA时序信号及彩条信号产生模块设计 3．1 VGA时序信号产生模块 VGA时序信号产生模块包括行点数计数器h_cnt、场行数计数器v_cnt、行同步产生状态机h_state和场同步产生状态机v_state 等。其中，行点数计数器是800进制计数器，场行数计数器是525进制计数器。行同步状态机h_state有 h_video，h_front，h_sync， h_back四种状态，它根据行点数计数器的计数值来进行状态转换；场同步状态机v_state有 v_video，v_Front，v_sync， v_Back四种状态，它根据场行数计数器的计数值来进行状态翻转。这两个状态机的状态转移图 分别如图3和图4所示。 当行状态机h_state复位时，即进进h_video状态，它对应每行的有效显示区域。行计数器h_cnt对25 MHz的点时钟进行计数， 当行计数器h_cnt的计数值到达639时，行同步状态机即进进行消隐前肩h_front状态；当h_cnt的计数值为663 时，行同步状态 机进进行同步状态h_sync，此时，行同步信号Hs输出低电平。当h_cnt的计数值为759时，状态机即进进行消隐后肩h_back状 态；当行状态机为h_front，h_sync，h_back状态时，行消隐信号输出低电平。当h_cnt的计数值为799时，行同步状态机进人 h_video状态，同时，行计数器的同步复位信号为高电平，使行计数器复位。 场状态机v_state开始时进进v_video状态，对应每场的有效显示行，场计数器v_cnt的计数值每行加1。当场计数器的计数值到 达479时，场状态机翻转，进进场消隐前肩v_ront状态；当v_cnt的值为497时，状态机v_state进进场同步状态v_sync，场同步 信号Vs此时输出低电平；当v_cnt的值为499时，状态机v_state进进场消隐后肩v_back状态；当v_cnt的值为524时，状态机 v_state又翻转进进 v_video状态，同时输出高电平到场计数器v_cnt的同步清零端使其清零。当场状态机v_state的状态为 v_Front，v_sync， v_Back三种状态时，场消隐信号输出低电平，其余时刻为高电平。行、场消隐信号的逻辑与即为复合消 隐信号。 3．2 VGA彩条信号产生模块 彩条信号产生模块包括了彩条模式控制、竖彩条发生和横彩条发生等三个模块。竖彩条发生模块根据行点数器h_cnt的计数值 

来产生彩条，其流程图如图5所示。它对行点数计数器的数值进行判定，每80条竖线天生一种竖彩条，共8种竖彩条横彩条发 生模块与竖彩条发生模块相似。它根据场行数计数器v_cnt的计数值来产生横彩条，流程图如图6所示。每60条扫描线为一个 彩条宽度，共8种横彩条模式。计数器mode的值又决定着输出彩条信号的类型，当mode为0 时，输出的彩条为竖彩条；当 mode为1时，输出的彩条横彩条。 3．3 用FPGA下载验证结果 对上述分析的两个模块，已经用QuartusⅡ软件进行仿真验证，并得到正确的仿真图形。通过了软件的测试，设计进进了终极 阶段——硬件的调试与通过，本设计采取的是FPGA开发板，图7就是FPGA开发板的实物图，将程序写进PC机经过FPGA芯 片在VGA接口处输出数据，并显示在CRT显示器中。图 8，图9就是设计出的8种彩色条纹输出显示控制器设计的终极输出结 果。 由实验结果可以看出，该设计可以正确地输出8种彩色的横条纹和竖条纹。从而验证VGA模块的时序及彩条信号模块的正确 性。 4 结 语 在调试电路时，使用FPGA中多余的逻辑产生VGA信号和彩条信号，所产生的信号稳定可靠，为电路调试带来了很多方便。 在实际应用中，还可以方便地修改彩条信号产生模块。比如，可以修转业、场计数器的判定值，以调整彩条的大小，增加延时 跳变的功能，使输出的彩条信号产生各种变化。此外，与VGA信号类似，改变行、场状态机的转换值和行、场计数器的设 置，还可以产生其他各种模式的图像信号，以适应不同分辨率图像显示的需要。假如在该设计的基础上加上采集模块，就可以 显示希看显示的图片。