基于FPGA的VGA接口设计 精品Word格式文档下载.docx

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FPGA 

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Keywords:

FPGA，VGA 

Interface,Verilog

1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，CycloneII；

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，StratixII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VideoGraphicArray,即视频图形阵列。

VGA支持在640×

480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320×

240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率如800×

600或1024×

768，这些扩充的模式就称之为VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation，视频电子标准协会）的SuperVGA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（ProgrammableLogicDevice）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（VideoGraphicsArray）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VGA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VerilogHDL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QuartusⅡ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，QuartusⅡ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CycloneⅡEP2C35F672C6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，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IS61LV25616AL‐10T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ADV7123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CycloneII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_R[0..9]、VGA_G[0..9]、VGA_B[0..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1600×

1200的分辨率（100MHz），在本次设计中我们使用640×

480的分辨率，VGA电路原理图如图2-3所示。

图2-3VGA电路原理图

2.3主控制器固件模块

2.3.1DE2开发板介绍

DE2板是以CycloneII2C35FPGA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16×

2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AlteraNiosII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，也有标准MIC、line-in、line-out接口（24位音频解编码器），video-in（TVDecoder）和VGA（10-bitDAC），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CycloneIIFPGA,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AlteraNiosII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

CycloneIIEP2C35F672C6型号的FPGA和EPCS16系列的配置驱动

（2）I/O驱动

（a）采用USBBlaster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（VGA10-bitDAC）

（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/O（76根信号线）

（3）存储容量

（a）8-MBSDRAM，512-KBSRAM，4-MBFlash

（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）16×

2字符液晶

（e）27MHZ和50MHZ的晶振,外部SMA时钟输入

2.3.2CycloneⅡ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CycloneII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、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。

CycloneII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，CycloneII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18bit×

18bit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。

CycloneII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能小的裸片面积下构建了CycloneII系列[5]。

CycloneIIFPGA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。

CycloneII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]。

CycloneII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，CycloneII器件可以在单芯片上支持复杂的数字系统，而在成本上则可以和ASIC竞争。

所有CycloneII器件都可以通过免费的Quartus®

II网络版软件来支持。

QuartusII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QuartusII软件，在CycloneII器件中直接集成和评估这些内核。

QuartusII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。

CycloneII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CycloneII器件都被设计拥有一套最佳的功能，包括多达68,416LE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SDRSDRAM以及QDRIISRAM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-MHzPCI和64-bit/100-MHzPCI-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622Mbps，具有支持完全定制Nios®

II嵌入式处理器，可通过QuartusII软件的OpenCorePlus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2-4EP2C35F672C6芯片

本系统选用了Altera公司的CycloneII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、105M4KRAM、35个乘法器以及4个同步逻辑器。

由于CycloneII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VCC

50MH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。

接好电源后，若红色指示灯亮，则说明供电正常。

2.5D/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。

2.5.1ADV7132视频D/A转换器

ADV7123是美国ANALOGDEVICES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2-6ADV7123芯片引脚图

ADV7123有3个独立的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2-7VGA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三部分组成，每部分各用10位数据，Pclk为时钟输入端，在上升沿锁存R0～R9、G0～G9、B0～B9三个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