基于FPGA實(shí)現VGA的彩色圖片顯示

　　視頻圖形陣列顯示接口是微機系統使用的一種通用顯示接口，廣泛應用于智能控制系統中，作為系統的顯示終端。對于由嵌入式微處理器構成的圖像處理系統來(lái)說(shuō)，采用VGA顯示輸出具有兼容性強、顯示內容豐富的優(yōu)勢。同時(shí)，VGA顯示接口具有結構簡(jiǎn)單、性能可靠、兼容性強、時(shí)序容易控制的特點(diǎn)。因此，結合FPGA的 VGA圖像控制器在嵌入式的圖像處理系統中有廣泛的應用前景。

　　目前大多數計算機與外部顯示設備之間都是通過(guò)模擬VGA接口連接，計算機內部以數字方式生成的顯示圖像信息，被顯卡中的數字/模擬轉換器轉變?yōu)镽、G、B三原色信號和行場(chǎng)同步信號，信號通過(guò)電纜傳輸到顯示設備中。

　　1 VGA顯示

　　常見(jiàn)的VGA接口的彩色顯示器，一般由cRT（陰極射線(xiàn)管）構成，色彩由R、G、B（紅：Red，綠：Green，藍：Blue三基色組成。顯示采用逐行掃描的方式進(jìn)行，即當掃描完一行時(shí)，再進(jìn)行下一行的掃描，直到最后一行掃描完為止。VGA接口為顯示器提供兩類(lèi)信號，一類(lèi)是數據信號，一類(lèi)是控制信號。

　　數據信號包括紅、綠、藍信號，簡(jiǎn)稱(chēng)RGB信號?？刂菩盘柊ㄋ酵叫盘枺℉SYNC）和垂直同步信號（VsYNc）。向顯示器輸出不同的分辨率時(shí)，水平同步信號和垂直同步信號的頻率也不同。但是水平同步信號和垂直同步信號時(shí)序分析相同，在掃描時(shí)均需要經(jīng)過(guò)同步信號、同步后信號、行同步信號、同步后信號四個(gè)時(shí)段。僅以水平同步信號為例，其結構如圖1所示。

　　VGA接口的顯示器原理其實(shí)就相當于點(diǎn)陣，通過(guò)控制器的控制，點(diǎn)亮所在的行和列。所以水平同步信號是針對列像素而言的，而垂直同步信號是針對行像素而言的。

　　以顯示800×600的圖片大小為例，根據VGA的時(shí)序標準，選擇6hz的刷新頻率。水平同步信號的同步信號包含128個(gè)列像素，同步后沿信號為 88個(gè)列像素，同步前沿信號為40個(gè)列像素，而屏幕顯示部分為800個(gè)列像素，所以一共需要1 28+88+40+800=1 056個(gè)列像素。場(chǎng)同步信號的同步信號包含4個(gè)行像素，同步后沿信號包含23個(gè)行像素，同步前沿信號包含1個(gè)行像素，而屏幕顯示部分為600個(gè)行像素，所以一共需要4+23+l+600=628個(gè)行像素，由此，液晶顯示器顯示一幅800×600的圖像，需要的行列像素分別為1056和628。

　　2 系統總體框架設計

　　本系統以FPGA EP2C8Q208C8為核心芯片，通過(guò)對VGA接口的控制，實(shí)現彩色圖像的顯示，系統結構框圖如圖2所示。

　　2.1鎖相環(huán)PLL

　　鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱(chēng)鎖相環(huán)（PLL），一種輸出一定頻率信號的振蕩電路，也稱(chēng)為相位同步環(huán)（回路）。該回路利用使外部施加的基準信號與PLL 回路內的振蕩器輸出的相位差恒定的反饋控制來(lái)產(chǎn)生振蕩信號。在網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域中，PLL用于從接收的信號中分離出時(shí)鐘信號，可以通過(guò)實(shí)際電路或軟件的方式實(shí)現。

　　由于FPGA的系統時(shí)鐘為50MHz，而控制VGA的時(shí)鐘為40MHz，所以在對VGA接口的控制時(shí)需要進(jìn)行時(shí)鐘轉換，通?？梢酝ㄟ^(guò)分頻或者是調用 IP核的方式實(shí)現轉換，但是由于通過(guò)自己寫(xiě)的分頻程序假如在數據上處理不得當，容易產(chǎn)生毛刺，而調用quanersII軟件自帶的PLL內核，不僅可以做到與系統時(shí)鐘同相，而且時(shí)鐘穩定，能夠實(shí)現對VGA時(shí)序的嚴格控制，與硬件電路來(lái)實(shí)現鎖相環(huán)相比，調用PLJ。內核不僅可以做到操作簡(jiǎn)單，而且也節約了設計成本。

　　2.2存儲模塊ROM

　　只讀存儲（Read一0nly Memory，ROM）是一種只能讀出事先所存數據的固態(tài)半導體存儲器圈。在系統框圖中的三個(gè)ROM均用來(lái)存儲顏色信息，由于本設計中使用圖片的大小為 128×128，即一共有128×128=16384個(gè)像素點(diǎn)，所以ROM的大小設置為16384。這里通過(guò)quanerII軟件調用FPGA的ROM內核，將MATLAB提取的紅、綠、藍三基色數據經(jīng)quanusII軟件的處理，分別存入FPGA的ROMl、ROM2、ROM3中。在控制模塊中寫(xiě)入 ROM的地址，在分頻后的時(shí)鐘控制下，將數據讀到vGA的RGB三個(gè)引腳，實(shí)現液晶顯示器的圖片顯示。

　　2.3 MATLAB的數據提取

　　MATLAB 作為強大的數據處理工具，其基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學(xué)工程中常用的表達形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用 c，FORTRAN等語(yǔ)言簡(jiǎn)捷得多。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++，JAVA的支持，可以直接調用，用戶(hù)也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序導人MATIAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶(hù)可以直接進(jìn)行下載就可以用，非常的方便。

　　由于MATLAB軟件中默認的圖片格式為.JPc和.BNP，因此在使用MATLAB前需將原始圖片通過(guò)Photo sh叩軟件進(jìn)行格式轉換，轉換后保存圖片為.BMP格式，在彈出的位寬選擇對話(huà)框選擇24位，，然后再通過(guò)MATLAB提取紅基色數據，程序如下所示，結果被保存在Red.mif文件里：

　　由于本設計所使用的VGA是三位的數據接口，因此藍基色和綠基色數據也按照此方法提取。Red.mif中的數據是24位的，所以還需要對提取到的紅基色數據進(jìn)行轉換。在MATLAB中做如下判斷將24位數據轉換為3位數據。

　　3 結果分析

　　圖像的顯示如圖3所示，顯示結果表明，由于原圖像是24位，即224種顏色，而FPGA控制的VGA只有3位即23種顏色，相比之下，以24位的圖像作為標準，VGA顯示的3位圖像有明顯失真的現象。

　　如果希望顯示的圖像更加清晰，那么需要將vGA的顯示接口重新作出電路修改，這樣才能達到清晰顯示的效果。

　　4 結束語(yǔ)

　　在許多圖像處理系統中，需要將經(jīng)過(guò)處理的圖像顯示出來(lái)，如果采用傳統的辦法將圖像數據傳回電腦并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，那么在傳輸的過(guò)程中就需要嵌入式系統的 CPU不斷的對所傳輸的圖像數據信號進(jìn)行控制，這樣就造成了CPU資源的浪費，同樣系統還需要依賴(lài)電腦，降低了系統的靈活性。如果采用FPGA對顯示器的 VGA接口進(jìn)行設計，數據流只需要在整個(gè)系統的內部流動(dòng)，而不需要依靠計算機，實(shí)現了系統的最小化，大大減少了電路板的尺寸，增強了系統的可靠性和設計的靈活性。

　　VGA接口同樣也是LCD液晶顯示設備的標準接口，通過(guò)VGA控制LCD可以使整個(gè)系統變得小巧，攜帶方便，使得應用的范圍大大擴展。作者所在的全景視覺(jué)圖象處理項目中，正是需要把經(jīng)過(guò)處理的圖像實(shí)時(shí)地直接地顯示出來(lái)，撇開(kāi)對計算機的需求，以滿(mǎn)足各種不同應用環(huán)境的需要。

　　通過(guò)FPGA對VGA接口的控制，不僅實(shí)現了FPGA對任一圖像的顯示，而且其內部時(shí)鐘可調性為設計帶來(lái)了很大的方便，節約了硬件成本。此方案可以廣泛應用于數字視頻系統、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現等各種領(lǐng)域。

作者黃文杰，李燦平，丁然