基于FPGA的VGA顯示控制器的設計

隨著CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器制造工藝的發展，圖像傳感器的分辨率越來越高，如果要實時顯示圖像傳感器采集到的圖像，則要求圖像處理芯片有較高的運行速度，但由于需要處理的數據量太大，一般的數字信號處理器很難直接輸出分辨率為1024×768，幀頻為60 Hz的標準XGA信號。這就需要對DSP輸出的圖像數據進行處理，使圖像能夠在VGA顯示器上實時顯示。市場上雖然也有一些專門圖像處理芯片，但其價格昂貴，且應用于特殊場合。本文設計的顯示控制器可以達到提升幀頻的功能，可使輸入分辨率為1024×768，幀頻為7.5HZ的YCbCr(4:2:2)圖像信號提升到幀頻為60HZ，并通過色空間轉換，將YCbCr(4:2:2)圖像信號轉換成RGB格式的標準XGA信號，同時產生符合VESA標準的XGA格式的行、場同步信號，輸出信號經D/A轉換后可直接輸出到VGA接口，從而可使圖像傳感器采集到的圖像數據能夠在VGA顯示器上實時顯示。
隨著微電子技術及其制造工藝的發展，可編程邏輯器件的邏輯門密度越來越高，功能也越來越強，由于FPGA器件的可并行處理能力及其可重復在系統編程的靈活性，其應用越來越廣泛。隨著微處理器、專用邏輯器件、以及DSP算法以IP核的形式嵌入到FPGA中，FPGA可實現的功能越來越強，FPGA在現代電子系統設計中正發揮著越來越重要的作用。本文設計的顯示控制器就是用VHDL語言描述，基于FPGA而實現的。該系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

1 顯示控制器的設計
1.1 工作原理
圖像傳感器采集到的原始圖像數據，經過A/D轉換及DSP處理后，生成每秒7.5幀的圖像數據，該數據是分辨率為1024×768的YCbCr(4:2:2)格式的16位圖像數據。DSP輸出到FPGA的信號有象素時鐘，行、場參考，圖像數據。FPGA在輸入的行、場參考都有效時，在輸入象素時鐘的同步下，接收圖像數據，并送入到SDRAM中， 同時從另一個SDRAM 中讀取數據，并通過色空間轉換，將YCbCr(4:2:2)信號轉換成RGB信號。當SDRAM 中寫滿一幀圖像數據時，控制器對兩個SDRAM進行讀、寫切換。由于寫數據速率小于讀數據速率，所以在往一個SDRAM寫滿一幀圖像數據的時間內，控制器能夠連續多次從另一個SDRAM中讀出另一幀圖像數據，從而實現了提高幀頻的目的。FPGA輸出的RGB格式數據經D／A轉換后，將數據轉換成模擬信號，配合行、場同步信號可使其在VGA顯示器上顯示。外部晶振輸入32.5MHZ的時鐘，該時鐘在FPGA內經時鐘鎖相環倍頻后產生65MHZ的主時鐘，用于對兩個SDRAM進行讀寫和用來產生符合VESA標準的XGA格式的行、場同步信號。

1.2 控制器的內部模塊介紹
本設計采用模塊化設計原則，按照現代EDA工程常用的“自頂向下“的設計思想，進行功能分離并按層次設計，用VHDL語言實現每個模塊的功能。該顯示控制器主要由以下七個功能模塊組成:

用于從DSP接收數據的輸入緩沖模塊
用于對兩個SDRAM進行讀寫切換的主控制器模塊
SDRAM1的控制器模塊
SDRAM2的控制器模塊
用于產生標準XGA格式的時序發生器模塊
用于從SDRAM中讀取數據并配合行、場同步輸出數據的輸出緩沖模塊
用于將YCbCr(4:2:2)轉換成RGB格式的色空間轉換模塊。
該顯示控制器的內部結構如圖2所示。上電后，顯示控制器首先對兩片SDRAM進行初始化，初始化結束后，其它模塊才開始工作。下面將詳細介紹各個模塊的功能及設計思想。

圖2 顯示控制器的內部結構