FPGA+MCU實現VGA圖象信號發生器

1、引言

　　VGA(視頻圖形陣列)作為一種標準的顯示接口在視頻和計算機領域得到了廣泛的應用。VGA圖像信號發生器是電視臺、電視機生產企業、電視維修人員常用的儀器，其主要功能就是產生標準的圖像測試信號。

　　本文采用FPGA+MCU方案，利用了Cyclone系列的FPGA高達上百兆的工作頻率特性為圖像數據處理提供了良好的實時性，其內部集成的數字鎖相環為系統的工作時鐘提供的良好的穩定性，其內部嵌入的存儲器可以存儲一定容量的圖像信息，豐富的I/O資源可以隨即擴展外接大容量存儲器的特性，因此由 FPGA完成對圖像數據的處理及產生行場掃描時序信號。很好地實現了圖象數據處理的實時性和穩定性，達到了性能與價格的完美統一。此外，FPGA的電路可重構性，為系統功能更改和升級以及功能擴展提供了很大的設計空間。由微控制器完成功能設置與控制，如鍵盤掃描，模式選擇與顯示控制等。

　　2、系統的工作原理和組成框圖

　　FPGA是整個系統的核心，通過對其編程可輸出RGB三基色信號和HS 、VS行場掃描同步信號。當 FPGA接受單片機輸出的控制信號后，內部的數據選擇器模塊根據控制信號選通相應的圖像生成模塊，輸出圖像信號，與行場掃描時序信號一起通過15針D型接口電路送入VGA顯示器，在VGA顯示器上便可以看到對應的彩色圖像。FPGA所需的工作時鐘由外部高精度有源晶振提供;單片機控制器分析鍵盤掃描結果，控制液晶顯示模塊顯示相應的功能，由LCD顯示輸出圖象和按鍵控制模式，并送出相應控制信號給FPGA，系統原理框圖如圖1。

　　3、VGA顯示器原理

　　工業標準的VGA顯示模式為：640×468×16色×60Hz。常見的彩色顯示器，一般由CRT (陰極射線管)構成，彩色是由R、G、B(紅、綠、藍)三基色組成，CRT用逐行掃描或隔行掃描的方式實現圖像顯示，由VGA控制模塊產生的水平同步信號和垂直同步信號控制陰極射線槍產生的電子束，打在涂有熒光粉的熒光屏上，產生R、G、B三基色，合成一個彩色像素。掃描從屏幕的左上方開始，由左至右，由上到下，逐行進行掃描，每掃完一行，電子束回到屏幕下一行的起始位置，在回掃期間，CRT對電子束進行消隱，每行結束是用行同步信號HS進行行同步;掃描完所有行，再由場同步信號VS進行場同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時進行場消隱，預備下一場的掃描。行同步信號HS 和場同步信號VS是兩個重要的信號。顯示過程中，HS 和VS的極性可正可負，顯示器內可自動轉換為正極性邏輯。

　　行同步信號HS和場同步信號VS的時序圖如圖2所示， T1為行同步消隱(約為6μs);T2為行顯示時間(約為26μs);T3為場同步消隱(兩個行周期);T4為場顯示時間(480個行周期)。

　　行同步信號HS和場同步信號VS與圖象信號R、G、B的時序關系如圖3所示。

　　對于VGA 顯示器的上述五個信號的時序驅動要嚴格遵循“VGA工業標準”，即640×480×60HZ模式，否則無法顯示正確地圖象。