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1、河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：基于FPGA的VGA显示器检测接口设计 专业（方向）：通信工程学 生 信 息： 学号：082327 姓名： 孙东晖 班级：通信082指导教师信息： 姓名： 王杨 职称：副教授报告提交日期： 2012年3月17日文献综述1、课题研究背景及意义VGA（Video Graphics Array）即视频图形阵列是IBM在1987年随PS/2（PS/2 原是“Personal System 2”的意思，“个人系统2”，是IBM公司在1987年推出的一种个人电脑）机一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准，在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰
2、富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明其在显示标准中的重要性和兼容性1。VGA（Video Graphic Array）接口是与显示器进行通信的唯一接口。通过FPGA 器件控制RGB 信号、行同步信号、场同步信号等信号，并参照有关标准，最后可以实现对VGA显示器的控制。VGA 图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示方法是将图像数据传回电脑并通过显示器
3、显示出来，在传输的过程中就需要CPU不断地对图像数据信号进行控制，这样就造成了CPU资源的浪费，同时系统还需要依赖电脑，因而降低了系统的灵活性。利用FPGA 芯片和EDA设计方法，可以根据用户的需要，设计出针对性强的VGA显示控制器，而且不需要依靠计算机，既能够大大降低成本，又可以满足生产实践中不断变化的需要，同时产品的升级换代也方便迅速2。 2、基于FPGA的VGA显示器检测接口设计的研究概况(1).课题的研究现状目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过
4、电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过D/A和A/D2次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。现在普遍使用SVGA显示器，采用模拟系统，分辨率和显示的颜色种类大大提高3。(2).VGA显示器检测接口的关键技术随着显示技术的不断发展, 在业界制定了多种显示协议标准。根据分辨率和刷新频率的不同
5、, 显示模式的发展可分为: VGA ( 640 480像素) ; SVGA (高级VGA, 800 600 像素) ; XGA (可扩展图形阵列, 1 024 768像素)。本文可以识别各种刷新频率的上述显示模式, 并得到像素频率值, 进一步应用于A /D 转换器采样模块处理中。常见的彩色显示器一般由CRT (阴极射线管)构成, 彩色是由R(红)、G(绿)、B(蓝) 3色组成。显示是采用逐行扫描的方式, 阴极射线枪发出的电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上, 产生RGB 三色基, 最后合成一个彩色图像。从荧幕的左上方开始向右扫描, 每扫完一行图像电子束回到下一行的最左端, 每行结束后电子枪回扫的过程
6、中进行消隐。然后从新开始行扫描, 消隐直到扫到荧幕的右下方, 电子束回到荧幕的左上方从新开始新的图像扫描, 并且在回到荧幕左上方的过程中进行消隐。在消隐过程中不发射电子束。每一行扫描结束时, 用HS (行同步) 信号进行同步; 扫描完所有的行后用VS(场同步)信号进行同步4。VGA 图像控制器是一个较大的数字系统。本文设计的多显示模式VGA 接口采用模块化的设计原则, 借鉴自顶而下的程序设计思想, 进行功能分离并按层次设计。将VHDL 硬件描述语言设计与原理图设计相结合, 逐一对每个功能模块进行仿真, 使顶层VGA图像控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。VGA 控制器主要由以下模块组成: 消
7、隐模块, 显示模块, 分频模块, 网格生成模块,汉字显示模块, 图像控制模块, 动画生成模块, LPM- ROM调用模块, EEPROM调用模块等。设计VGA 图像显示控制需要注意两个问题:一个是时序的驱动, 这是完成设计的关键时序稍有偏差, 显示必然不正常, 甚至会损坏彩色显示器，另一个是VGA 信号的电平驱动。功能模块的VHDL 设计如下5:1. 模式选择模块；2. VGA 接口模块；3. 消隐模块4. EEPROM 调用模块；5. 图像模式控制模块。 (3).VGA显示器检测接口设计的发展趋势随着FPGA 的不断发展及其价格的不断下降, FPGA 的可编程逻辑设计的应用优势逐渐显现出来。
8、现在, 越来越多的嵌入式系统选择了基于FPGA 的设计方案。在基于FPGA 的大规模嵌入式系统设计中, 为实现VGA 显示功能, 既可以使用专用的VGA 接口芯片如SPX7111A 等, 也可以设计和使用基于FPGA 的VGA 接口软核。虽然使用VGA 专用芯片具有更稳定的VGA 时序和更多的显示模式可供选择等优点, 但设计和使用VGA 接口软核更具有以下优势: (1)使用芯片更少, 节省板上资源, 减小布线难度; (2)当进行高速数据传输时, 具有更小的高频噪声干扰; (3)系统成本下降, 产品更有价格优势6。参考文献1贾伟伟,吴小艳,王威廉.基于FPGA的VGA接口实现和字符显示J.仪器仪
9、表学报。2008,04:561-5632 许振望.语音解码器芯片的设计及用FPGA 硬件实现的研究D.西安:电子科技大学.2003,21-22. 3 张文爱,张博,程永强. 基于FPGA的高分辨率VGA显示控制器的设计J. 现代显 示.2006(09):55-58;4 刘威,石彦杰, 高博.基于FPGA的VGA显示模式和像素频率的识别J.电子工程师。2008,01:50-525 吴婷婷, 石博雅.基于FPGA 的VGA 接口技术J.电脑知识与技术.2008,20:241-2426 肖炀, 卿粼波, 罗代升.基于FPGA 的多显示模式VGA 接口研究与设计J.计算机工程与科学.2007,05:6
10、2-657 国澄明,樊晓川. 基于FPGA 实现的计算机与HDTV显示器测试信号发器 J .天津大学学报, 2005 , 1-2.8 马森,尚媛园,倪琴琴,刘峥.基于FPGA 设计DSP 的实践与改进J.微计算机息.2009,25(1-2):84-869邵华，刘亚斌，徐志跃实时高速LVDS串行数据采集系统的设计计算机测量与控制， 2008,16(3):424-42610Chang-heeshin,Ki-SeokCho,Yong-SupLee,Jae-HoonLee.Color STN(CSTN) LCD Driver Integrated Circuit with Sense Amplifer
11、 of Non-Volatile MemoryJ.JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE,VOL.6,NO.2,JUNE,2006:87-89;前期工作报告1. 工作过程开学第一周通过与老师的沟通与交流，最终确定了毕业设计的题目：基于FPGA的VGA显示器检测接口设计。这是一个偏向于硬件研究方向的课题，我也比较喜欢硬件方向的设计与研发，所以做了这个选择。接下来是课题准备时间，需要我们去查阅相关的文献，并作出整理和总结，以对自己的毕设题目有一个初步的大概的了解，包括研究课题的背景及意义、实现的关键技术、发展现状及前景等等。到目前为止，我基本
12、完成了任务书的阶段性要求，相信我一定能在老师的悉心指导下在规定的时间内完成毕业设计。2. 课题实施方案通常VGA显示器显示的图像数据量较大，而FPGA 内置ROM 很难满足这么大的存储量，FPGA 需要外接SDRAM来存储这些数据。VGA显示器的输入的是模拟信号,所以由VGA 显示控制器产生的RGB 信号在进入VGA 接口之前要经过一个D/A 转换器。图片要想在显示器上显示出来，它主要需要5 个信号，行同步信号HS（Horizontal_Sync）、场同步信号VS和RGB 三基色信号。VGA 时序控制模块是整个显示控制器的关键部分,最终输出的行、场同步信号必须严格按照VGA 时序标准产生相应的
13、脉冲信号。显示模块是整个显示控制器的重要组成部分。各个模块的输出数据都要经过该模块处理后送到显示器。显示模块在VGA显示控制器中起着至关重要的作用。显示模块的输出信号直接连到VGA接口，它是控制器与显示器进行通信的桥梁。1. 模式选择模块模式选择模块根据所选择的显示模式( 模式1模13) , 输出符合VGA 工业标准的对应参数与所需时钟率;输出的参数包括: 行、场有效像素点; 行场前同步头信号;行、场后同步头信号;行、场消隐信号。2. VGA 接口模块VGA 接口模块是整个系统中最重要的一部分。它根据接收到的不同像频时钟和时序参数, 输出符合VGA 标准时序的信号。VGA 接口模块接收到的时序
14、参数包括H_PIXELS、H_FRONTPORCH、H_SYNCTIME、H_BACKPORCH、H_SYNCSTART、H_SYNCEND、H_PERIOD、V_LINES、V_FRONTPORCH、V_SYNCTIME、V_BACKPORCH、V_SYNCSTART、V_SYNCEND 和V_PERIOD。通过选择不同显示模式, 系统将不同的值赋予这些时序参数。VGA 接口模块通过内部行扫描计数器和场扫描计数器来输出符合VGA 时序的信号。其中, 输出的行坐标信号(Cout)和列坐标信号(Lout)能作为地址信息输入图像存储空间, 提取出对应点的RGB 信号作为VGA 接口的输出。3. 消
15、隐模块消隐模块是整个显示控制器的关键部分, 显示模块、彩条模块、动画控制模块、EEPROM调用模块等都由消隐模块控制, 并且行同步信号(HS)和场同步信号(VS)都由该模块产生。由于CLK 频率相当高, 像素速率也很高, 为了观察HS、VS信号, 适当缩小了波形比例。其中, C9.0为像素坐标值, L8.0为扫描线信号, 也就是像素的横坐标。显示模块是整个显示控制器的重要组成部分。各个模块的输出数据都要经过该模块处理后送到显示器。显示模块在VGA 显示控制器中起着至关重要的作用。GRBP 为三原色数据信号, 由模式控制模块产生; 行同步信号HS 由消隐模块产生; 场同步信号VS 由消隐模块产生
16、。输出的R、G、B 信号分别为红色、绿色、蓝色信号。显示模块的输出信号直接连到VGA 接口, 它是控制器与显示器进行通信的桥梁。该模块以VHDL 语言实现, 该模块中的结构体描述一共只用了6 条语句。而要实现同样的功能, 一般操作系统的视频卡驱动程序需要冗长的代码去描述。由此可见, VHDL 语言具有很大的优越性。4. EEPROM 调用模块 EEPROM调用模块是设计的难点之一。该模块实现了对系统外挂的两个EEPROM(W27E040 和W27C020)的访问, 通过该模块可以使显示器显示各种各样的彩色图像。5. 图像模式控制模块图像模式控制模块由数据选择器和可逆计数器组成。可逆计数器控制端
17、为EC、DIR、CLR, MD 为计数时钟信号。计数结果(即对应一种模式)是数据选择器进行选择的依据, 通过对可逆计数器的控制, 可以实现对模式选择的控制。3.工作中遇到的问题及解决办法在查阅文献的过程中遇到了一些小问题，比如对于文献的格式不是很了解，查阅时有些盲目，不过在老师的指导下都顺利完成了。刚开始接触VGA显示器时对于它的基本原理不了解，不过通过上网查阅资料和文献，基本清楚了其数据传输及数据显示原理。4. 总结与启示 通过阅读文献，我初步了解了VGA显示器检测接口设计的方法。除此，我还研究了VHDL语言，初步掌握了如何用VHDL语言来编程实现要求的功能。最后，通过查阅文献，我还熟悉了FPGA芯片。但是因为课程设计进行的还不多，对这些知识没有更深入的理解，也还没有准确的应用于实际。总的来说还有很多漏洞，在今后的日子里，我会继续对理论进行学习，并且要把理论结合到实际，对不足进行补充。5.课题研究的进展通过三周的研究与学习，熟悉了VGA显示器检测接口设计与实现方法。此外还熟悉了用VHDL语言来实现VGA显示器检测接口设计。虽未亲手操做，但初步了解了FPGA芯片。熟悉了如何用此芯片来完成实验。 根据任务书的要求，已完成任务书中第三周的任务要求。
