VGA模组驱动电路设计

选题背景及意义 CRT显示器作为一种通用型显示设备，如今已广泛应用于我们的工作和生活中。与嵌入式系统中常用的显示器件相比，它具有显示面积大、色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点，如果将其应用到嵌入式系统中，可以显著提升产品的视觉效果。如今随着液晶显示器的出现，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/CPLD来实现对VGA显示器的驱动。 随着FPGA/CPLD的不断发展及其价格的不断下降，FPGA/CPLD设计的应用优势逐渐显现出来。现在,越来越多的嵌入式系统选择了基于FPGA/CPLD的设计方案。在基于FPGA/CPLD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/CPLD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) FPGA/CPLD设计VGA接口可以将要显示的数据直接送到显示器，节省了计算机的处理过程，加快了数据的处理速度，节约了硬件成本。 CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。显示器因为其输出信息量大，输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备。在CPLD的设计中可以使用很少的资源，就产生VGA各种信号。 1.2 VGA相关内容的介绍 VGA是视频图形阵列（Video Graphic Array）的缩写，它是1987年IBM公司为PC机的显示系统制定的标准。VGA的显示特点是扫描格式繁多，分辨率从320×200一直延伸到1280×1024，行频15.8~70Hz，场频50~100Hz。常见的分辨率有320×200，640×400，640×480，720×350，800×600，1024×768，1280×1024。常见行频有31.4Hz，37.8Hz，57.9Hz，62.5Hz等，常见场频有50Hz，60Hz，70Hz，100Hz等。扫描方式有逐行和隔行，绝大部分是逐行。显示模式有文本和图形之分。显示颜色有16，256，32K，64K，16700K种颜色之分。 标准的VGA RGB信号分别经过三个8位的A/D转换器变换成数字信号，在视频处理器中完成制式转换，抗闪烁，反走样和数字视频编码。三个9位分辨率的D/A把数字复合视频和S—Video变换成模拟信号。R G B的采样时钟和存储器的写时钟都由行同步产生。时序电路中的第一个锁相环可产生与VGA图形同步的采样时钟，时序电路中的另一个锁相环以27MHz的石英晶体为基准，产生存储器读时钟视频编码器和D/A时钟。 显示器的显示方式有两种：A/N显示方式和APA显示方式，即文本显示方式和图形显示方式。A/N 方式已淘汰不用，目前微机都采用APA图形方式。 显示器上输出的一切信息，包括数值、文字、表格、图像、动画等等，都是由光点（即像素）构成的。组成屏幕显示画面的最小单位是像素，像素之间的最小距离为点距（ Pitch)。点距越小像素密度越大，画面越清晰。显示器的点距有0.31mm、0.28mm、0.24mm、0.22mm等多种。 分辨率指整屏显示的像素的多少，是衡量显示器的一个常用指标。这同屏幕尺寸及点距密切相关，可用屏幕实际显示的尺寸与点距相除来近似求得。点距为0.28mm 的15英寸显示器，分辨率最高为1024×768 。显示器屏幕尺寸以对角线来度量，常用的显示器有14 、15 、17 、19 、21 英寸等。显示器水平方向长度与垂直方向高度之比一般为4 : 3 。 显示器采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在CRT 屏幕上从左到右（受水平同步信号HSYNC控制）、从上到下（受垂直同步信号VSYNC 控制）做有规律的移动。光栅扫描又分逐行扫描和隔行扫描。电子束采用光栅扫描方式，从屏幕左上角一点开始，向右逐点进行扫描，形成一条水平线；到达最右端后，又回到下一条水平线的左端，重复上面的过程；当电子束完成右下角一点的扫描后，形成一帧。此后，电子束又回到左上方起点，开始下一帧的扫描。这种方法也就是常说的逐行扫描显示。而隔行扫描指电子束在扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后再返回来扫描剩下的线，这与电视机的原理一样。隔行扫描的显示器比逐行扫描闪烁得更厉害，也会让使用者的眼睛更疲劳。目前微机所用显示器几乎都是逐行扫描。 完成一行扫描所需时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧（整屏）扫描所需的时间称为垂直扫描时间，其倒数为垂直扫描频率，又称刷新频率，即刷新一屏的频率。常见的有60Hz 、75Hz 等，标准VGA 显示的场频60Hz ，行频为31.5kHz。 带宽则指显示器可以处理的频率范围。如果60Hz刷新频率的VGA 方式，其带宽达640×480×60 =18.4MHz;70Hz刷新频率1024×768分辨率，其带宽达1024x768x70=55.1MHz。 早期的显示器频率固定。现在流行的多屏显示器采用自动跟踪技术，使显示器的扫描频率自动与显示卡的输出同步，达到较宽的适用范围。 一个像素点可有多种颜色，由表示该像素的二进位数（又称像素的位宽）决定。像素位宽为8bit ，则每个像素有28=256 种颜色；位宽为16bit 则有216= 65536 种颜色，位宽为24hit 则有224 即一千七百多万种颜色。显示卡内的D / A （数/模）转换电路将每个像素的位宽（二进位整数）转换成对应亮度的R 、G 、B （红、绿、蓝）模拟信号，控制屏幕上相应的三色荧光点发光，产生所要求的颜色。 随着PC 机的不断更新换代，显示控制卡（即显示适配器）的标准也不断发展。从最初的MDA（单色显示适配器）→CGA （彩色图形显示适配器）→EGA （增强型图形适配器）→VGA （视频图形阵列适配器）。VGA 一改以前显示卡采用的数字视频信号输出，而用模拟视频信号输出，VGA 卡内的D / A 转换器将数字信号转换为控制R 、G 、B 三原色的模拟信号，使像素色彩变化非常平滑，更适合人的视觉感受。?????????????????????? 性能高于VGA 并与之兼容的显示适配卡有TVGA 和SVGA 。随着Windows的普及和对快速度、多色彩、高分辨率的需要，一些厂家在SVGA 芯片中增加更多的硬件来支持Windows的加速，这类显示适配器一般被称作AVGA。目前大多数微机上的显示卡都属于AVGA 类型。显示卡主要由图形处理芯片、视频存储器及BIOS 芯片等组成。一般AVGA类型显示卡的控制器由单块AVGA 芯片充当，其中包含的图形加速控制器对提升图形功能至关重要。 显示卡的性能主要取决于卡上使用的图形芯片。早期的图形芯片没有帧缓冲器，有关帧的操作都要由CPU 去处理，降低了显示速度。现在多数显示卡上都设置具有图形处理功能的加速芯片，可处理像Windows类型的图形任务而减少CPU 参与。更高级的显示卡上有协处理器，可大大减免CPU 的处理和参与。利用视频存储器VRAM 储存显示数据，可减少甚至免去访问系统主存，加快显示速度。 显示卡插在系统板的扩展槽内，通过电缆连接到机箱背面的15 针D 型插座连接器上。某些高档的主板内置了显示卡的功能。CRT 显示器背面有一个与显示器连接好的视频电缆，电缆的末端是15 针插入式连接器，使用时将它直接插入主机机箱背面的15孔D 型插座上即可。 VGA接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。数据信号包括红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）信号，简称RGB信号，控制信号包括水平同步信号和垂直同步信号。输出不同分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不同。 1.3 本文主要工作 在查阅相关文献后，对VGA的显示控制有了一定认识。对基于CPLD的VGA驱动控制有了相应的了解。本文在简要介绍VGA显示接口原理和CPLD以及Verilog HDL语言后，给出VGA显示控制器整体结构。并且采用Verilog HDL在quartusII软件下对各个模块进行了设计。并且对设计的软件进行了功能仿真。