基于FPGA的VGA接口设计.doc

《基于FPGA的VGA接口设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的VGA接口设计.doc（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、基于FPGA的VGA接口设计摘 要VGA（Video Graphics Array 视频图形阵列）是一种标准的显示接口。伴随着嵌入式系统的迅速发展，尤其是高速图像处理的发展，对可以将实时图像处理进行显示有了更多的需求。VGA广泛应用于机场、车站等公共场所的广告宣传和文字提示。本文基于Altera公司的Cyclone II系列FPGA（现场可编程门阵列）、依据VGA接口时序采用Verilog HDL语言设计了VGA显示模块，并验证了设计结果。通过采用FPGA设计VGA 接口使系统具有成本低、结构简单、应用灵活的优点。关键词：FPGA，VGA接口，VerilogDesign of VGAInter

2、face Based onFPGA ABSTRACT As a standard display interface, VGA has been widely used. As the fast development of embedded system, especially the development of high speed image processing, there are more and more need in displaying the result of the process in real time. VGA is widely used in airpor

3、ts, railway stationsand other publicplacesadvertising and text prompts .The design of VGA display interface and control module is introduced in this paper which based on AlterasCyclone IIseriesFPGA, according to the principle of VGA display, an interface of VGA with the Verilog HDL is designed. VGAI

4、nterfacethrough the use ofFPGAdesignthe systemwith low cost, simple structure, flexible applicationadvantages.KEY WORDS: FPGA，VGAInterface ,Verilog目 录摘 要IABSTRACTII1 概述11.1 选题背景11.2 发展趋势21.3 研究方法和手段31.4 研究预期成果42 硬件电路设计52.1 系统整体结构框架52.1.1 系统硬件结构52.1.2 系统拓展硬件结构52.2 总体设计原理图62.3 主控制器固件模块72.3.1 DE2开发板介绍7

5、2.3.2 Cyclone 系列芯片介绍82.3.3 外部时钟92.4电源模块102.5 D/A转换电路模块102.5.1 ADV7132视频D/A转换器102.6 VGA显示模块122.6.1 VGA接口122.6.2 VGA常用模式132.6.3 VGA工作原理142.6.4 RGB数据帧的结构153 固件代码设计163.1. Quartus 及Verilog语言介绍163.1.1 Quartus 软件介绍163.1.2 Verilog HDL语言介绍173.2 VGA代码设计173.2.1 VGA的显示时序程序183.2.2 时钟、频率程序213.2.3 SRAM程序223.2.4 汉字

6、显示程序243.2.5 RGB控制液晶颜色显示程序254 代码调试264.1 编译仿真264.2 配置加载274.2.1 引脚配置274.2.2 文件加载274.3 显示图像284.3.1 使用DE2控制面板显示图像284.2 显示结果32总 结34致 谢35参 考 文 献36附录 固件代码381 概述1.1 选题背景自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程器件（FPGA）至今，FPGA历史已经经历了几十年的发展历史。在这几十年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来

7、临之际，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。纵观现场可编程器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促成FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。自二十年前发明世界上第一个可编程逻辑器件开始，Altera公司秉承了创新的传统，是世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。Altera 的主流FPGA

8、分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone，Cyclone II；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Stratix，Stratix II等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件1。VGA的英文全称是Video Graphic Array,即视频图形阵列。VGA支持在640480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320240分辨率下可以同时显示256种颜色。VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨

9、率如800600或1024768，这些扩充的模式就称之为VESA（Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会）的Super VGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。显卡所处理的信息最终都要输出到显示器上，显卡的输出接口就是电脑与显示器之间的桥梁，它负责向显示器输出相应的图像信号。CRT显示器因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，这就需要显卡能输入模拟信号，VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口。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，被显卡的数字/模

10、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。现行的VGA接口大都用于CRT显示器，用于计算机的输出设备，另外，在很多图像采集输出的地方也占有一席之地。例如车载监控系统，图像识别等领域。1.2 发展趋势EDA/SOPC技术通过软件编程方式设计硬件，能随时对设计进行调整，具有集成度高、结构灵活、开发周期短、可靠性高等特点，广泛应用于工业控制、数字信号处理等领域。如今越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端，但基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器。若驱动此类

11、显示器，需要很高的扫描频率，以及极短的处理时间，正是由于这些特点，所以可以用FPGA来实现对VGA显示器的驱动。本次毕业设计选用FPGA来实现VGA图片汉字的显示。FPGA（现场可编程门阵列）器件是 Xilinx 公司 1985 年首家推出的，是一种新型的高密度 PLD。近年来，FPGA 发展的十分迅速，其出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。与传统的 PLD 芯片（Programmable Logic Device）相比，FPGA 芯片由于采用类似于门阵列的结构，因此规模可以做得较大，可实现的功能更强，设计的灵活性也更大。以Altera 公司的高密度芯片 APEX 系列为

12、例，其最大门数已达到数百万门2。FPGA(CPLD)芯片中包含复杂的触发器资源，有些型号还具有片上 RAM、内部总线等许多系统级的功能，因此完全可以实现子系统甚至系统的集成。就其互连结构而言，典型的 FPGA 芯片通常采用分段互连式结构，具有走线灵活，便于复杂功能的多级实现等特点，从而在很大程度上减轻了印刷电路板上器件的布局和走线负担。目前，FPGA 芯片已成为九十年代以来最受欢迎的器件之一。随着 FPGA 芯片的广泛应用，高性能高密度的 FPGA 在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速发展。由于 FPGA 器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级

13、的并行执行，从而大大地加快了计算速度。由 FPGA 实现的计算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且，由于 FPGA 可动态地配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线性函数，因此有可能在很少的几片甚至一片 FPGA 中集成一个支持所有标准的系统。由于 FPGA 在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势，基于 FPGA 的信号处理器已广泛应用于各种信号处理领域，如手机基站、卫星通信系统、交换机、路由器、调制解调器等。FPGA 尤其适合于乘法和累加等复杂的 DSP 任务。因此在复数乘法、数字滤波器设计和 FFT 等数字信号处理领域表现出较大的优越性，因此在高速数字信号处理系统中得到了

14、较多的应用，FPGA 提供了极强的灵活性，使开发者能够开发出满足多种标准的产品。例如，万能移动电话能够自动识别 GSM、CDMA、TDMA 等不同的信号标准，并可以自动重配置以适应所识别的协议。FPGA 固有的灵活性和性能也使设计者能够紧跟新标准的变化，提供相应可行的方法3。开发者使用 FPGA 技术，结合相应的 EDA 设计工具，可以很方便的对产品进行改善或升级。由于 FPGA 内部资源丰富及功能强大，以及相应的 EDA软件功能完善和强大，仿真能力便捷实时，并且硬件因素涉及甚少，使得基于EDA 的 FPGA 开发技术将很快成为复杂数字系统设计的主流。FPGA 在应用中也有一定的局限性。其中之

15、一为其内部资源的限制，当通信系统功能扩充后，新增的逻辑有可能耗尽片内的资源，同时受布线资源、I/O资源和寄存器数目的限制，FPGA 内部往往无法被全部利用。但随着大规模FPGA 的研制开发，这种局限性已经得到了缓解。如 Xilinx 推出的 Virtex 系列内部资源可达 300 万门，并已经在 UMTS 无线系统的基站中得到了应用。FPGA 的另外一个局限性体现在由于其运算效率高而相应带来的灵活性的下降。这指的是一旦将 FPGA 内的资源用于某项特定的任务（如 FFT），则该部分资源就无法从事另一项不同的任务（如 FIR 滤波）。但是在线配置和部分配置技术的出现，使得内部资源的重新分配成为可

16、能，从而使这个矛盾也得到了缓解。FPGA的运行速度快，管脚资源丰富，容易实现大规模的系统设计，有大量的软核可用，便于进行二次开发。另外，由于FPGA具有可重构能力、抗干扰性强等特点，因此，FPGA在工业控制等领域越来越受到重视。利用FPGA完成VGA显示控制，可以使图像的显示脱离PC机的控制，形成体积小、功耗低的嵌入式系统，应用于地面勘测、性能检测等方面，具有重要的现实意义。VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用3。目前VGA技术的应用还主要基于VG

17、A显示卡的计算机、笔记本等设备，而在一些既要求显示彩色高分辨率图像又没有必要使用计算机的设备上，VGA技术的应用却很少见到。本文对基于FPGA的VGA显示的实现方法进行了研究。基于这种设计方法的VGA显示系统，可以在不使用VGA显示卡和计算机的情况下，实现VGA图像的显示和控制。系统具有成本低、结构简单、应用灵活的优点，可广泛应用于超市、车站、飞机场等公共场所的广告宣传和提示信息显示，也可应用于工厂车间生产过程中的操作信息显示，还能以多媒体形式应用于口常生活。1.3 研究方法和手段在图像处理中，如果采用传统的方法，需要将图像数据传入电脑，通过CPU将信号进行处理，这样就会使系统依赖于电脑，降低

18、灵活性，同时也会造成资源的浪费。如果我们采用FPGA来进行VGA的显示，就可以使数据在开发板中进行处理，而不需要依赖电脑，同时可以减少电路板的尺寸，增强系统的灵活性。VGA作为一种常用的显示标准，VGA接口可以容易的与CRT、LCD连接，使系统更加便携。本次设计正是通过实现FPGA控制VGA的显示，将预设的图像进行显示，从而实现图像的便携传输。本次设计分为硬件与软件两部分组成，实现将图形和动画在分辨率位640*480，刷新频率为60Hz的VGA显示器上显示。具体工作为：（1）硬件部分，使用Altera公司的DE2开发板进行硬件测试，显示采用LCD显示器实现预计功能。（2）软件部分，通过Veri

19、log HDL语言对初始化模块、行场消隐控制模块、VGA显示模块的编译，利用Quartus 软件实现编译、仿真。1.4 研究预期成果本次设计通过使用Altera公司的DE2硬件开发板，Quartus 软件的软件编程来实现VGA接口的功能，设计的结果要达到以下三点：（a）设计的VGA接口分辨率为640*480，刷新频率为60Hz；（b）能够显示图像和文字信息；（c）仿真性能指标合乎要求。2 硬件电路设计2.1 系统整体结构框架2.1.1 系统硬件结构系统的硬件电路在Altera公司的DE2开发板完成，实现FPGA对VGA显示器的控制。本系统由FPGA最小系统、D/A转换模块、显示接口模块组成，从

20、而实现对行场信号的控制。其结构示意图如图2-1所示：图2-1 硬件结构示意图本系统用到的有：一块FPGA核心板，板上有Cyclone EP2C35F672C6芯片及其外围电路；D/A转换电路；VGA接口电路。通过计算机编程，将图像数据与时序信号一同下载进入FPGA，进过FPGA的处理，再通过D/A转换电路，完成数字信号向模拟信号的转换，最后由VGA接口输出，在LCD显示器上显示图像。本系统结构简单、设计方便，从而实现VGA显示图像与汉字的功能。2.1.2 系统拓展硬件结构为了使系统能有丰富的图像显示，增强图像的还原能力，使系统的功能更加强大，实现图像的显示，我们采用由FPGA主控制器，电源模块

21、，D/A转化模块，显示接口模块、SRAM组成的系统拓展固件结构。该D/A转换模块由ADV7123组成，SRAM采用ISSI公司512KB的IS61LV25616AL10T芯片。其结构如图2-2所示：图2-2 拓展硬件结构示意图 输入部分：由计算机进行编程，设计专门的图像数据，将其与时序信号一同下载送入FPGA。将图像数据在系统工作时烧入SRAM中，根据时序将存储器中的数据送入FPGA，这种方法可以使图像信息功能更加丰富。 输出部分：在FPGA里将通过软件的方法构造的行、场同步信号和点时钟信号送到地址发生器中，产生所需要的控制帧存储器的地址信号，同时把采集处理后的数字图像信息输入到开发板上的AD

22、V7123转换电路，经数模转换后从VGA接口输出。2.2 总体设计原理图DE2开发板包括一个15针的VGA输出的D - SUB连接器。在VGA同步信号提供直接的Cyclone II器件和模拟器件ADV7123三重10位高速视频DAC是用来产生模拟数据信号（红色，绿色和蓝色）。其中包括8个输入信号，它们是：红、绿、蓝三种颜色信号输入VGA_R0.9、VGA_G0.9、VGA_B0.9，复合空白对照输入VGA_BLANK，复合同步控制输入VGA_SYNC, 输入时钟VGA_CLOCK，以及行场频率输入信号VGA_HS、VGA_VS。这些电路组合能最高支持16001200的分辨率（100MHz），在

23、本次设计中我们使用640480的分辨率，VGA电路原理图如图2-3所示。图2-3 VGA电路原理图2.3 主控制器固件模块2.3.1 DE2开发板介绍DE2 板是以Cyclone II 2C35FPGA为特点的672针引脚的包装。板上所有重要的部件都与板上的芯片相连，使用户能够控制板上各种的操作。DE2 板包括了很多开关（兼有拨动开关和按键），发光二极管和七段数码管。在更多进一步的实验中还用到了SRAM，SDRAM，Flash 以及162的字符液晶。需要进行处理器和I/O接口试验时，可以简单的用Altera Nios II 处理器和RS-232和PS/2标准接口。进行涉及音频和视频的实验时，也

24、有标准MIC、line-in、 line-out接口（24位音频解编码器），video-in（TV Decoder）和VGA（10-bit DAC），这些 特点都能够被用来制作CD质量的音频应用程序和专业的视频图象。为了能够设计更强大的项目，DE2 还提供了USB2.0接口（包括主、从USB ），10/100M自适应以太网，红外（IRDA）接口，以及SD卡接口。最后，可以通过两排扩展I/O 口与其它用户自定义的板子相连4。DE2自带先进的Cyclone II FPGA,可自由选择存储卡以及一些高级的I/O 口驱动，对各类数字系统的实现来说是一个理想的平台，它还有音频、视频、网络和存储设备。对以

25、Altera Nios II 为处理器的嵌入式应用中也是一个理想工具。开发板主要器件接口如下：（1）FPGA Cyclone II EP2C35F672C6 型号的FPGA和EPCS16 系列的配置驱动 （2）I/O 驱动 （a）采用USB Blaster对FPGA进行配置 （b）10/100M自适应以太网，RS-232，红外接口 （c）视频输出接口（VGA 10-bit DAC） （d）视频输入接口（NTSC/PAL/Multi-format）（e）USB2.0(A 型和B 型) （f）PS/2 鼠标或键盘接口 （h）音频输入输出线，MIC 输入（24-bit 音频编解码器） （i）扩展I/

26、O（76 根信号线） （3）存储容量 （a）8-MB SDRAM，512-KB SRAM，4-MB Flash （b）SD卡插槽 （4）开关，发光二极管，液晶和晶振 （a）18 个拨动开关 （b）4 个去抖按键 （c）8 个七段数码管 （d）162 字符液晶 （e）27MHZ和50MHZ的晶振,外部SMA时钟输入2.3.2 Cyclone 系列芯片介绍由于图像处理需要处理庞大的处理器阵列、存储器模块和数据，大规模集成电路正好可以解决这些问题。本系统选用的是Altera公司的Cyclone II系列的EP2C35F672C6芯片，此系列芯片不但具有高性能、高密度和非常大的灵活性，还具有改进的结构

27、、先进的处理技术、现代化的开发工具以及多个宏功能模块可选用等优点。Cyclone II系列器件是2004年推出的全铜层、低K值、1.2伏SRAM工艺PLD。采用300毫米晶圆，以TSMC成功的90nm工艺技术为基础，Cyclone II 器件提供了4,608到68,416个逻辑单元（LE），并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18 bit 18 bit乘法器、专用外部存储器接口电路、4Kbit嵌入式存储器块、锁相环（PLL）和高速差分I/O能力。Cyclone II 器件扩展了FPGA在成本敏感性、大批量应用领域的影响力，延续了第一代Cyclone器件系列的成功。Altera采用相同的方法在尽可

28、能小的裸片面积下构建了Cyclone II 系列5。Cyclone II FPGA系列提供了与其上一代产品相同的优势一套用户定义的功能、业界领先的性能、低功耗但具有更多的密度和功能，极大地降低了成本。Cyclone II 器件扩展了低成本FPGA的密度，最多达68，416个逻辑单元（LE）和1.1M比特的嵌入式存储器6。Cyclone II器件的制造基于300mm晶圆，采用台积电90nm、低K值电介质工艺，这种可靠工艺也曾被用于Altera的Stratix II器件。这种工艺技术确保了快速有效性和低成本。通过使硅片面积最小化，Cyclone II器件可以在单芯片上支持复杂的数字系统，而在成本上

29、则可以和ASIC竞争。所有Cyclone II器件都可以通过免费的Quartus II网络版软件来支持。Quartus II软件是业界最先进的FPGA设计软件，在一个单一、标准的设计环境里提供一整套综合、优化及验证工具。开发人员可以从大量的知识产权核（IP）库中进行选择，然后采用Altera独有的OpenCore Plus评估工具以及Quartus II软件，在Cyclone II器件中直接集成和评估这些内核。Quartus II软件的先进技术降低了开发成本，并帮助产品更加快速地投放市场。 Cyclone II性能优越，因为其提供了与所有其他成本优化FPGA系列相比最低的单LE价格。每个Cyc

30、lone II器件都被设计拥有一套最佳的功能，包括多达68,416 LE用于高密度应用，1.1兆比特的嵌入式处理器用于通用存储，多达150个18x18 嵌入式处理器用于低成本数字信号处理（DSP）应用，专用外部存储器接口电路用以连接DDR2、DDR和SDR SDRAM以及QDRII SRAM存储器件，4个嵌入式PLL用于片内和片外系统时钟管理，支持单端I/O标准用于64-bit/66-MHz PCI和64-bit/100-MHz PCI-X (模式1)协议，具有差分I/O信号，支持RSDS、mini-LVDS、LVPECL和LVDS，数据速率接收端最高达805兆比特每秒（Mbps），发送端最高

31、622Mbps，具有支持完全定制Nios II嵌入式处理器，可通过Quartus II软件的OpenCore Plus评估功能进行免费的IP功能评估7。EP2C35F672C6芯片如图2-4所示：图2-4 EP2C35F672C6芯片本系统选用了Altera公司的Cyclone II系列的EP2C35F672C6芯片，它具有672个引脚，其中475个I/O通信口。同时还有33216个逻辑单元、105M4K RAM、35个乘法器以及4个同步逻辑器。由于Cyclone II系列芯片有高性能、高密度和非常大的灵活性，所以采用该芯片可以很好的实现设计功能。2.3.3 外部时钟本系统需要接一个外部晶振作

32、为时钟信号，晶振的频率需要在规定范围内选择，尽可能复合程序要求，兼顾各芯片参数，能够简单的分频出所需的晶振。本次设计选择开发板上的50MHz有源晶振。外部时钟电路图如图2-5所示。图2-5 引脚结构：1脚悬空，2脚接地，3脚输出，4脚接电源VCC50MH的有源晶振可以方便的分频出25MHz的频率作为全局时钟，25MHz是VGA显示的点扫描频率，即是我们所需要的。2.4电源模块本系统中外部提供9V电源，9V电源使用圆头插座的封装，可以直接用9V的电源变压器插上使用。在电路中，由于涉及的参考电压较多，FPGA的I/O接口电压为3.3V。系统3.3V电压由外部电源从220V电压转换成3.3V电压得到

33、。接好电源后，若红色指示灯亮，则说明供电正常。2.5 D/A转换电路模块由于FPGA中处理的信号为数字信号，本设计在LCD上完成图像和汉字的显示，所以本系统需要一个D/A转换模块。2.5.1 ADV7132视频D/A转换器 ADV7123是美国ANALOG DEVICES公司生产的一种可以产生视频的数字/模拟转换器件。是专门为解决彩色图像和包括高清晰电视（HDTV）的视频系统而设计的芯片。它的输入有3个高速的10位标准TTL电平的RGB信号，输出为高抗阻的模拟信号，具有330MHz的最大采样速度8。ADV7123芯片引脚图如图2-6所示。图2-6 ADV7123芯片引脚图ADV7123有3个独

34、立的10 位像素输出端口，分别为红、绿、蓝，5V电源，1.23V的参考电压，像素时钟，还包括SYNC与BLANK信号，ADV7123产生的RGB信号与RS-343A、RS-170及到多数使用的高清晰电视系统产生的信号时兼容的，与TTL兼容信号输入，5V的CMOS整体结构，应用领域为高质量的电视系统，高质量的彩色图像系统。下图是VGA显示终端接口硬件设计原理图，通过ADV7123产生三路模拟信场同步信号完成图像显示VGA显示终端接口设计电路如图2-7所示。 图2-7 VGA显示终端接口设计电路图本系统设计的输入数据有30位图像数据信号，两位控制信号，一位时钟信号。其中数据信号由R、G、B三部分组

35、成，每部分各用10位数据，Pclk为时钟输入端，在上升沿锁存R0R9、G0G9、B0B9三个10位数字信号，以及/SYNC与/BLANK信号。/PSAVE为节能控制管脚引入FPGA，在调试时接逻辑高电平，令不使能。/SYNC 是ADV7123独立的视频同步控制输入端，不会影响其他控制信号或数据输入信号，只能在消隐期间使用。/BLANK信号接逻辑高电平，是在每一个CLOCK时钟上升沿，都能锁存R0R9、G0G9、B0B9三个10位数字信号。ADV7123视频D/A转换器为三路共30位，其每路基色信号都有210个色阶9。ADV7123使用方便，IOR、IOG、IOB信号分别为红色、绿色、蓝色通道的

36、电流正向输入端，IOR、IOG、IOB信号输出的电流值可以通过公式算得：IOR、IOB=7.9896VREF/Rset（mA），当使用/SYNC信号时IOG=11.445VREF/Rset（mA），如果未使用/SYNC信号，计算公式同IOG、IOB的计算公式。在点时钟脉冲Pclk的作用下是三个10位R、G、B信号送入数据寄存器，而后送入到三个DAC模块，复合消隐信号和复合同步信号加到红、绿、蓝模拟信号送到输出端。2.6 VGA显示模块2.6.1 VGA接口计算机显示器的显示有许多标准，最常见的是VGA，SVGA等。VGA是Video Graphics Array的缩写，信号类型为模拟类型，显示

37、卡端的接口为15针插座。接口如图2-8所示：图2-8 VGA接口原理图VGA接口的1、2、3脚分别接D/A转换器输出的R、G、B三色数字信号，13脚接行同步信号，14脚接场同步信号，5、6、7、8、10脚接地，其余引脚均悬空。VGA 显示接口总共有15 条线，分为三组：第一组为RGB 三色模拟信号输入线，输入信号为00.7Vp-p；第二组是RGB 三色地线，使用过程中，需要做接地处理；第三组为是时序信号线，分别是行同步线(Horizon Synchronizing，HS)，场同步线(Vertical Synchronizing，VS) ，这两条线控制了VGA 的显示时序；其他为辅助信号线，具体

38、如表2-1 所示。表2-1 引脚功能配置表引脚名称注释引脚名称注释1RED红基色（75,0.7Vp-p）9KEY保留2GREEN绿基色（75,0.7Vp-p）10SGND同步信号地3BLUE蓝基色（75,0.7Vp-p）11ID0显示器标志位04ID2显示器标志位212ID1显示器标志位15GND地13HSYNC行同步6RGND红色地14VSYNC场同步7GGND绿色地15ID3显示器标志位38BGND蓝色地2.6.2 VGA常用模式通过对VGA显示卡基本工作原理的分析可知，要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键还是如何实现VGA时序。VGA 行频率时序如图2-9

39、所示，VGA场频率时序如图2-10所示。 图2-9 VGA行频率时序图 图2-10 VGA场频率时序图行时序和帧时序都需要产生同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)、显示时序段(Display interval c)和显示前沿(Front porch d)四个部分10。几种常用模式的时序参数如表2-2所示。表2-2 VGA标准参考时序图像模式行时序（s）帧时序（lines）abcdabcd1024768XGA(75Hz)1.22.213.00.232876811024768XGA(60Hz)2.12.515.80.46297683600800SVGA(60Hz)3.22

40、.220.01.04236001640480VGA(75Hz)2.03.820.30.531648012.6.3 VGA工作原理本次设计采用VGA 的工作标准为64048060Hz 模式，对应的时钟频率(Clock Frequency) 为25.175MHz(像素输出频率)；行频(Line Frequency)为31496Hz；场频(Field Frequency)为59.94Hz(每秒图像刷新频率)，设计VGA显示控制器时，并需要严格遵循“VGA工业标准”，否则会损坏VGA显示器11。VGA 采用逐行扫描的方式。扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下进行扫描，每扫完一行，电子束回到屏幕的

41、左边下一行的起始位置，在此期间，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，进行场消隐，预备下一场的扫描。（1）扫描的方式行扫描从每一行的左边开始，采用的时钟为25MHz，每一个时钟周期，对应该行上的一个像素点。从左到右的扫描过程中，包括行消隐、行图像输出两个过程，每完成一次从左到右的行扫描，则显示一行的像素点12。图2-11为行扫描时序：图2-11 行扫描时序图每个工作时隙，对应的时钟间隔（像素数量），如表2-3所示。表2-3 行扫描的时序（单位：像素）Ta（行同步）TbTcTd(行图像)Te TfTg（行周期

42、）9640864088800场扫描从屏幕最上端一行开始，从上到下进行扫描。当行扫描完成一次时，以行扫描的溢出信号作为时钟，每一个时钟周期，对应屏幕上的一行。场扫描的过程，包括场消隐、场图像输出两个过程，每完成一次从上到下的场扫描过程，则完成一帧图像的输出13，场扫描时序如图2-12所示。图2-12 场扫描时序图每一个时隙间隔，如表2-4所示。表2-4 场扫描的时序（单位：像素）Ta（场同步）TbTcTd(场图像)TeTfTg（场周期）2258480825252.6.4 RGB数据帧的结构对于普通的VGA显示器，其引出线共含5个信号：R、G、B（3基色信号）、HS（行同步信号）、VS（场同步信号

43、）。由R、G、B3种基色可以组合出任意所要的颜色13。其不同组合所能成的颜色如表2-5所示。表2-5 VGA显示器编码表颜色黑蓝红紫绿青黄白R00110011G00001111B01010101数据编码0x000x030xE00x1C0x1F0x1F0xFC0xFF行场扫描在消隐区间时，输出的消隐信号值为“0x00”,即对应黑色的编码。3 固件代码设计3.1. Quartus 及Verilog语言介绍3.1.1 Quartus 软件介绍本次设计中，软件开发平台是Altera公司的Quartus II软件，Quartus II提供了良好的多平台设计环境，可以轻易满足系统特定设计需要。Quartu

44、s II是Altera公司在21世纪初推出的FPGA/CPLD开发环境，是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+Plus II的更新换代产品，其功能强大，界面友好，使用便捷。Quartus II软件集成了Altera的FPGA/CPLD开发流程中涉及的所有工具和第三方软件接口。Quartus II是将设计、综合、布局与布线、验证，及第三方EDA工具无缝集成的FPGA开发平台。它支持三种输入方式:硬件描述语言、图形设计输入以及两者的混合使用。设计者可使用设计编辑器用图形方式编辑顶层设计，然后转成硬件描述语言便于进行仿真综合14。Quartus II软件的开发流程如图3-1所示。

45、图3-1 Quartus II设计流程图Quartus II包含了系统的解决方案，且集成来自于 Mentor Ganhics Synpsys和Synplicity三方综合设计方案，使设计者能在最短时间内用Altera的器件实现较高的性能。 Quartus II的Tap II嵌入式逻辑分析仪和Signal Probe路由特性，使设计者能在系统工作时分析器件内部节点或1/0引脚。Signal Tap II和Signal Probe可以与Quartus II综合或第三方综合一起协调工作，而不需对HDL设计文件进行任何修改。通过使用此开发工具，设计者可以创建、组织和管理自己的设计。使用Quartus

46、II软件，文件工程由所有设计文件和设计有关的设置组成。设计过程中我们使用Quartus II Block Editor、Text Editor、Mega Wizard Plug-In manager(Tool 菜单)和EDA设计输入工具建立包括Altera宏功能模块、参数化模块库（LPM）函数和知识产权(IP)函数在内的设计15。可以使用setting对话框（Assignment菜单）和Assignment Editor设定初始设计约束条件。3.1.2 Verilog HDL语言介绍本次设计中，软件的设计是基于Verilog HDL硬件编程语言。Verilog HDL是一种硬件描述语言（HDL:Hardware Description Language），是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。Verilog HDL是在用途最广泛的C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，