基于FPGA的VGA波形顯示方法研究

隨著微電子技術的發(fā)展，應用FPGA技術開發(fā)的信號處理系統(tǒng)在各種行業(yè)中得到了廣泛的應用。VGA是IBM公司在1987年隨PS/2機一起推出的一種視頻傳輸標準，具有分辨率高、顯示速度快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。采用FPGA設計VGA控制器也是近幾年研究的一個熱點，這種方式設計的顯示系統(tǒng)，在不使用VGA顯示卡的情況下，實現圖像的顯示和控制，具有成本低、結構簡單、應用靈活的優(yōu)點。目前關于這方面的研究論文主要集中在顯示原理的介紹、FPGA設計VGA時序控制器[1-2]以及圖像顯示方法[3-4]上，至于波形的顯示方法主要集中在計算機上通過顯卡實現，利用FPGA而無需顯卡的VGA顯示波形的討論比較少見。本文依據VGA顯示原理，介紹兩種VGA顯示波形的方法，給出了兩種波形顯示方法的流程圖，同時針對波形顯示中出現的不穩(wěn)定性提出了一種穩(wěn)定顯示波形的策略，并給出了VGA顯示的結果波形。顯示方法利用Verilog HDL 語言作為邏輯描述手段，在QuartusII軟件環(huán)境下使用Stratix II系列的FPGA芯片完成。

1 VGA顯示原理

常見的彩色顯示器一般由CRT構成，彩色由R、G、B三色組成。采用逐行掃描的顯示方式，陰極射線槍發(fā)出的電子束打在涂有熒光粉的熒光屏上，產生R、G、B 三基色，最后合成一個彩色圖像。

對于圖像的顯示，可以利用行、場同步信號的計數器，在顯示可視區(qū)間內按照圖片的大小劃定行和列的起始坐標和終止坐標，當掃描點在圖像顯示區(qū)域內時，根據掃描點在圖像顯示區(qū)中的相對坐標位置，計算得到當前要顯示的圖像像素點在圖像存儲器中的地址，然后讀取顯示。

如圖1所示，x表示行計數器的計數值(行坐標)，y表示列計數器計數值(列坐標)，顯示的分辨率為H×V，(x,y)為顯示區(qū)域內的任意一像素點。波形顯示區(qū)域的大小為M×N，起始點為(m0,n0)，(m,n)則為掃描點在波形顯示區(qū)域中的相對坐標。當掃描點到達波形顯示區(qū)域時， 即滿足以下關系：

則有m=x-m0,n=y-n0；此時，可以將m作為波形存儲器的地址，取出波形數據進行顯示，波形存儲器的大小可以設置為大于或等于M。


2 波形顯示方法

　在這里討論兩種波形顯示的方法。假設存儲在波形RAM中的數據為x(k)，(m,n)為掃描點在波形顯示區(qū)域中的相對坐標。

方法一：如圖2(a)流程所示，當掃描點進入波形顯示區(qū)域時，開始讀取波形RAM中的數據，將讀出的數據x(k)與當前掃描點在波形顯示區(qū)域中的縱坐標n或者N-n作比較，如果相等則顯示，否則不顯示。圖2(b)所示為方法一顯示的效果圖。

方法二：如圖3(a)流程所示，當掃描點進入波形顯示區(qū)域時，開始讀取波形RAM中的數據，將當前掃描點在波形顯示區(qū)域中的縱坐標n或者N-n與讀出的當前數據x(k)和上一個波形數據x(k-1)進行對比，如果掃描點剛好處于這兩個值之間則顯示，否則不予顯示。圖3(b)所示為方法二顯示的效果圖。


3 顯示控制器設計

VGA顯示控制器須提供R、G、B三基色圖像信號，HS行同步信號和VS場同步信號。由于VGA接口顯示器僅能處理串行模擬信號,因此，VGA控制器所產生的信號經D/A轉換器將數字信號轉變?yōu)槟M信號后發(fā)送給顯示器使用。VGA顯示器正確、完整地顯示數字圖像包括時序的構建和數字圖像信息的模擬化兩個方面。據此系統(tǒng)硬件實現框圖如圖4所示,系統(tǒng)硬件由ADC控制模塊、波形穩(wěn)定控制模塊、RAM存儲模塊、VGA控制模塊組成。在ADC控制模塊的控制下將A/D轉換器轉換后的數字信號經波形穩(wěn)定模塊處理后,存入數據緩存器RAM內，而后VGA控制器在驅動顯示器的時候，讀取數據緩存器中的數據進行顯示[5]。通常VGA顯示器顯示的數據量較大，而FPGA內置的片內存儲器資源很難滿足存儲量的需求，因此，一般都需要通過外接存儲器進行擴展，對于圖像等大數據量處理系統(tǒng)通常選用SDRAM進行擴展[6]，本系統(tǒng)只進行波形的顯示，不進行數據處理等操作，故片內存儲器足夠滿足使用要求。

需要說明的是，信號的A/D采集時鐘選為125 MHz，而VGA的顯示標準選擇的是視頻電子標準協會VESA(Video Electronics Standards Association)即為1 280×1 024@60 Hz，故像素時鐘為108 MHz。為了產生這兩種時鐘，在FPGA片外接100 MHz的晶振，使用FPGA內部兩個鎖相環(huán)經倍頻后得到。對于不同時鐘速率之間的數據交換, 一般會通過使用FIFO進行緩沖，本文使用雙端口RAM進行緩存，配置為一個讀端口和一個寫端口，兩個端口擁有各自獨立的時鐘(分別為108 MHz和125 MHz)， 設計簡單的控制時序就可實現數據的正確讀寫。

3.1 存儲數據寬度的選擇

通常ADC的分辨率為12 bit或者14 bit,支持補碼形式表示,數字信號表示的最大范圍為4 096或者16 384，而實際的顯示器的分辨率遠遠小于此值,常見的有640×480、1 024×768、1 280×1 024等。因此根據顯示波形區(qū)域的大小，存儲在顯示緩存器中數據寬度可以縮減，例如波形顯示區(qū)域的大小為1 024×512，選用橫向顯示，則可將顯示數據的寬度截取為9 bit，這樣一來最大值不會超過511，避免了數據值較大而無法顯示的情況。本文中所選用的波形顯示區(qū)域大小為1 024×768，即M=1 024，N=768，顯示數據截取為10 bit，但需注意，并不是從采集進來的數字信號直接截取。為了防止數據較大而溢出波形顯示區(qū)域，作如下處理：首先從ADC采集進來的數據分別截取9 bit和8 bit,然后將截取后的兩個數據進行相加，結果為10 bit數據，其最大值不會超過768，這樣就防止了顯示溢出而導致的波形顯示失真。

3.2 穩(wěn)定顯示波形策略

由于系統(tǒng)采集的時鐘與VGA顯示的像素時鐘不同，通常都會選取部分數據進行顯示，而其余的數據將會被丟棄，因此如何選取數據變得尤為重要，如果選取不合適，會造成顯示波形閃動，無法分辨。為了使顯示的波形穩(wěn)定，在數據采集時進行了預處理：首先判斷掃描點是否在波形顯示區(qū)域內，如果在，則讀取波形RAM中的數據并顯示；否則對采集進來的信號進行基準點檢測，當檢測到基準點時，開始向波形RAM中寫數據，寫滿時停止寫入，而后面采集的信號全部丟棄。利用這種方式，顯示的基準點位于顯示區(qū)域最左邊線，而通常需要將顯示的基準點移至顯示區(qū)域的中心位置。對于這種方式的實現方案是：首先定制大于或等于2倍于顯示寬度大小的波形RAM，當掃描點不在波形顯示區(qū)域中時，開始將采集的數據進行存儲。當數據存儲地址大于顯示區(qū)域寬度一半時，開始檢測基準點，同時將采集的數據繼續(xù)寫入波形RAM中，檢測到基準點時，將此點對應的數據地址tadd保存起來，而后繼續(xù)存儲直至存滿為止。當掃描點到達波形顯示區(qū)域時，從地址radd開始讀取數據進行顯示，這樣就達到了目的。其中地址radd的計算公式為：

需要說明的是,以上介紹的穩(wěn)定顯示波形策略，存儲器資源占用很少,大量采集的數據將會被丟失。當VGA控制器以像素時鐘讀取波形RAM時，從ADC采集進來的數據不會寫入波形RAM,以保持波形的完整性；當VGA控制器不讀取波形RAM時，ADC采集進來的數據以采集速率寫入波形RAM中，直到寫滿后停止。對于本系統(tǒng)設計，當VGA控制器不讀取波形RAM時，能夠保證波形RAM寫滿完整一幀數據。當n0≤y≤n0+N成立時，需要的時間為1 280×768÷108 MHz≈9.102μs，對波形RAM不進行寫入操作。不滿足時，需要的時間為1280×256÷108 MHz≈2.427 μs；如果波形RAM的大小為2 KB，采集速率為125 MHz， 則寫入波形RAM的時間為2048÷125 MHz≈16.384 ns，可見對于波形RAM有足夠的時間進行寫入操作。以上分析均沒有考慮消隱所用的時間。

3.3 VGA時序

在VGA 接口協議中，不同的顯示模式都有嚴格的工業(yè)標準、不同的分辨率或不同的刷新頻率，故其時序也不相同[7]。VESA的標準參考顯示時序如圖5所示,B為行同步信號,占用112個像素時鐘周期，C為行消隱后肩， E為行消隱前肩，D為有效數據顯示期；P為場同步信號，占用3個行周期，Q為場消隱后肩，S為場消隱前肩，R為行有效顯示期。在逐行掃描情況下，1 280×1 024分辨率有效顯示區(qū)域為每行1 280個像素,一場1 024行，實際考慮到行消隱和場消隱時間的影響，實際分辨率為1 688×1 066。場同步信號VS用來確定一幀圖像的開始和結束時間，確保圖像數據從左到右、從上到下掃描，以形成一幅幅圖像。行同步信號HS標志著一行像素的開始和結束，使圖像數據顯示在屏幕從左到右的有效區(qū)域。

首先根據刷新頻率確定主時鐘頻率，然后由主時鐘頻率和圖像分辨率計算出行總周期數，再把同步、消隱各時序段的時間按照主計數脈沖源頻率折算成時鐘周期數。在FPGA中利用計數器，以計算出的各時序段時鐘周期數為基準產生不同寬度和周期的脈沖信號，利用它們的邏輯組合產生視頻DAC的控制信號和VGA接口的同步信號。

4 實驗結果及分析

對本文提到的波形顯示方法進行了實驗驗證，分別對采集的正弦波和方波進行兩種方法的顯示。圖6(a)為方法一顯示的方波，可以看出，方法一對于變化比較陡峭的波形顯示，會出現很多虛點，視覺效果不佳，不利于顯示波形變化陡峭的波形。圖6(b)為方法二顯示的方波，這種方法對于任意波形的顯示都具有很好的顯示效果，不存在方法一中提到的波形不連續(xù)情況，視覺上達到平滑的效果。由此可見，方法二顯示的波形線條清晰，適合各種波形的顯示，比方法一顯示的波形視覺效果更好。

本文針對VGA顯示波形的美觀性要求，首先在介紹VGA顯示原理和時序控制器的設計方法的基礎上研究了波形存儲器的數據寬度選擇以及一種波形穩(wěn)定顯示的策略，然后探討了兩種VGA顯示波形的方法，第一種方法可以顯示“變化緩慢”的波形，對于“比較陡峭”的波形顯示不連續(xù)，效果不佳；第二種方法對于任意一種波形都可以連續(xù)地顯示，具有很好的視覺顯示效果。本文所述的波形顯示方法為新型示波器的設計提供了設計思路。