基于FPGA的VGA图像显示系统的设计-电气论文
基于FPGA的VGA图像显示系统的设计
杜宗展1，王振河2，冯迎春2
（1.山东大学电气工程学院，山东济南250061；2.山东电力集团公司检修公司，山东济南250061）
摘要：VGA（视频图形阵列）是一种标准的显示接口，被广泛应用。根据VGA，FPGA（现场可编程门阵列）的作用原理，设计的基于FPGA的VGA接口可以直接将数据送至显示器，同时增添了关于输出图像灰度等级的设计。与传统设计相比，该设计没有计算机的处理过程，可节省硬件成本，加快数据处理速度，被广泛应用到视频显示领域。
关键词：现场可编程门阵列；视频图形阵列；显示接口；灰度
中图分类号：TN919?34；TP391.8 文献标识码：A 文章编号：1004?373X （2015）16?0095?05
收稿日期：2015?01?30
在传统的图像处理系统中，要将图像显示出来，采取的方法是先将图像数据传入电脑，然后经过显示器显示。在这个传输过程中，对图像的控制需要经过CPU，这样既造成资源浪费，一直通过电脑处理还会降低系统的灵活性[1]。利用FPGA（现场可编程门阵列）对VGA（视频图形阵列）显示接口进行设计，数据不需要经过计算机，只在整个系统内部传输。这种设计使得系统的组成规模和硬件设备成本减少，系统的稳定性、扩展性和可靠性得到增强[2?3]。VGA 自从推出以来，作为一种标准显示接口在视频、计算机等显示器领域有较广泛的应用[4]。FPGA 的特点是容量大、投资少、周期短、灵活性等，FPGA强大的处
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理功能使其在视频领域得到广泛应用[5?8]，成为硬件设计的首选方式之一[9?10]。
1 VGA 概述
1.1 VGA接口定义
VGA（Video Graphic Array）视频图形阵列是一种显示标准[11]，VGA 接口就是显示器经过VGA 标准数据输出的接口。VGA视频输出接口一共有15个管脚，如图1所示。在VGA 输出接口的15 个管脚里面，3 条基本色彩线（红、绿、蓝）以及水平、垂直2条控制线是其中最重要的。这5条控制线可以组成8种组合，显示8种色彩。
1.2 VGA显示原理
VGA显示器在显示屏幕上的彩色是由R，G，B（红、绿、蓝）三个基本色组成的，阴极射线管（CRT）发出电子束，打在荧光屏上产生三基色。VGA 图像显示器的显示是通过CRT逐行扫描或隔行扫描的方式实现的[12?13]，即输入信号在显示器屏幕上方开始从左到右，从上到下逐行扫描。行扫描信号HS控制从左到右扫描、场扫描信号VS控制从上到下的扫描。电子束在扫描完一行后会回到下一行的起始位置，CRT对电子束消隐，用行同步信号HS进行行同步；等所有行扫描结束，场同步信号VS进行场同步，同时进行场消隐，使电子束回到
屏幕左上方[14]。
1.3 VGA时序分析
计算机业界根据不同的显示接口制定了多种显示接口协议，VGA 是其中的一种[15]。在VGA 的显示接口协议中，显示模式的不同是因为分辨率和刷新率不同，因而时序也不同[16]。不同显示模式的时序都由VGA工业标准来控制。设计VGA图像显示时需要注意的是时序的驱动和VGA信号的电平驱动[17]。时序的驱动是设计的关键点，时序若有偏差，显示肯定会不正常，严重情况会损坏彩色显示器。图2为VGA的扫描时序图。
水平扫描时间是指完成一行扫描所需要的时间，其倒数代表行频率；垂直扫描时间是指完成整个屏幕扫描需要的时间，倒数为场频率，即一屏刷新一次的频率。常见的有60 Hz，75 Hz等。在本文中，时钟频率以700×[emailprotected] Hz（60 Hz）为例，每场对应着525 个行周期（信号是N制式，525=10+2+480+33），其中480是图像显示行。每一场都有场同步信号，脉冲的宽度是2个行周期的脉冲，每显示行有860点时钟，其中700点是有效显示区，每一行有行同步信号，该脉冲宽度为96个脉冲。由此可以算出：行频为525×59.94=31 469 Hz；需要的时钟频率为：525×860×59.94≈27 MHz。VGA
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