基于EDA的VGA彩条信号显示系统

《EDA 技术与VHDL 》（课程设计）题目：基于EDA 的VGA 彩条信号显示系统院 系 电子信息工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 09电子信息工程2班 学 号 0908421071 姓 名 崔 健 指导教师 俞凤娟2012年 11 月 11 日装 订 线摘要本设计是用 FPGA 来实现 VGA 图像控制器，控制显示器显示彩条信号，用VHDL 语言,在QuartusII上实现软件仿真。

本文首先介绍了VGA显示的基本原理，然后提出了一种VGA图像控制器的设计方案，并用VHDL硬件描述语言和原理图输入的方法完成了该方案的设计，通过显示横彩条、竖彩条、棋盘格，验证了VGA_SYNC同步信号功能模块时序的正确性，软件实验环境为 Quartus II 6.0 开发软件。

本系统尝试用FPGA实现 VGA图像显示控制器，这一过程通过编程实现，之后通过软件的测试和仿真，当软件验证无误后完成硬件的下载验证，最终在显示器上实现输出，基本原理就是利用FPGA的可编程原理和VGA的时序控制原理，这在产品开发设计中有许多实际应用。

例如显示器，电视等的维修，可以期望采用FPGA设计的VGA接口可以将要显示的数据直接送到显示器，就可以可靠的找到故障的大致原因等。

从而省掉每次都要接信号源的麻烦，同时也节约了成本。

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。

同时亦可将其作为信号源，应用于电视机或计算机等彩色显示器的电路开发，方便彩色显示器驱动控制电路的调试。

在实际应用中，若对本系统稍作扩展,还可以对彩条信号产生模块方便地进行修改。

比如,可以修改行、场计数器的判断值来调整彩条的大小,增加控制信号的位数,以及增加延时跳变的功能,使输出的彩条信号产生各种变化。

这样,既可以用于调试彩色P DP电路,也可以用来作为PDP显示器的检测信号源。

此外,与VGA信号类似,改变行、场状态机的转换值和行、场计数器的设置,还可以产生其他各种模式的图像信号,以适应不同分辨率图像显示的需要。

希望这些方法能为国内的显示器及相关产品在电路研制方面起到一点抛砖引玉的作用。

目录一前言1.1 选题背景1.2 开发环境介绍1.2 步骤流程二VGA显示原理介绍2.1 VGA接口简介2.2 三基色混色原理三系统设计方案3.1 方案论证与选择3.2 VGA彩条控制器的硬件设计3.3 VGA彩条控制器系统调试四结论成果前言1.1选题背景现如今，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，需要很高的扫面频率，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。

在许多图像处理系统中，需要将经过处理的图像显示出来，如果采用传统的办法将图像数据传回电脑并通过显示器显示出来，那么在传输的过程中就需要嵌入式系统的C PU不断的对所传输的图像数据信号进行控制，这样就造成了CPU资源的浪费，同样系统还需要依赖电脑，降低了系统的灵活性。

如果采用FPGA对显示器的VGA接口进行设计，数据流只需要在整个系统的内部流动，而不需要依靠计算机，实现了系统的最小化，大大减少了电路板的尺寸，增强了系统的可靠性和设计的灵活性[1]。

VGA( 视频图形阵列) 作为一种标准的显示接口, 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。

与此同时, 各种大规模集成电路的出现也为大量数字化信息的处理提供了有效的手段。

其中, FPGA( 现场可编程逻辑阵列) 即是其中比较有代表性的一种。

FPGA( 现场可编程门阵列) 是可编程逻辑器件,它是在PAL, GAL 等逻辑器件的基础上发展起来的, 同以往的PAL, GAL 等相比, FP GA 的规模比较大,它可以替代几十甚至几千块通用IC 芯片。

它以操作灵活、开发迅速、投资风险低、可多次编程擦写和系统可编程等特点而成为一种可优化硬件电路设计且具竞争力的产品。

本设计依据Altera公司Cyclone II系列的FPGA进行设计，最终实现横彩条、竖彩条、棋盘格、字符、汉字及单色图像的显示。

设计的硬件部分采用DE2开发板――内含Altera Cyclone II 系列的EP2C35F672C6 FPGA芯片，并集成了许多外设，其中包含VGA显示接口。

软件部分用VHDL语言进行编程，并在Altera公司的EDA软件工具Quartus Ⅱ进行程序编译、调试、波形仿真和下载。

1.2 开发环境介绍VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescriptio n Language,被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。

自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。

此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。

VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。

与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：（1）功能强大、设计灵活。

（2）支持广泛、易于修改。

（3）强大的系统硬件描述能力。

（4）易于共享和复用。

（5）独立于器件的设计、与工艺无关。

（6）很强的移植能力。

Quartus II design 是很高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip (SOPC)的设计环境。

QuartusII design 提供完善的基于块的设计流程。

QuartusII design是唯一一个包括以timing closure 和基于块的设计流为基本特征的program mable logic device (PLD)的软件。

Quartus II 设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmed devi ces开发的统一工作流程。

Altera Quartus II设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。

1.3 步骤流程1）建立新工程项目：打开 Quartus II 软件，进入集成开发环境，点击File→New project wizard 建立一个工程项目 VGA。

（2）建立文本编辑文件：点击File→New..在该项目下新建 Verilog HDL 源程序文件 VGA.v，输入试验程序中的源程序代码保存后选择工具栏中的按钮启动编译，若在编译中发现错误，则找出并更正错误，直到编译成功为止。

（3）选择器件型号及引脚的其他设置：选择所用的 FPGA 器件----EP2C8Q208C8，以及进行一些配置。

选择配置器件 EPCS4，设置不需要使用的 IO 功能为 As inputs，tri-stated。

点击两次 ok，回到主界面。

（4）配置 FPGA 引脚：在 Quartus II 软件主页面下，选择Assignments→Assignment Editor 或选择工具栏上按钮，配置 clk 及相关引脚。

（5）编译工程项目：在 Quartus II 主页面下，选择Processing→Start Compilation 或点击工具栏上的按钮启动编译，直到出现“Full Compilation Report”对话框，点击 OK 即可。

（6）波形仿真。

（7）下载设计程序.sof 文件到目标 FPGA，下载采用 JTAG 方式。

VGA显示原理介绍2.1 VGA接口简介图2.1 VGA 接口的引脚分配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)三色信号, 简称RGB信号, 控制信号包括水平同步信号和垂直同步信号。

按照 VGA 接头（15HD）的标准，各引脚的定义如下（按倒梯形来看，从上到下，从右到左分别是 1－5 脚，6－10 脚，11—15 脚）：1 ——Red——模拟信号“红”2 ——Green——模拟信号“绿”3 ——Blue——模拟信号“蓝”4 ——ID Bit——地址码5 ——N/C——自测试（各家定义不同）6 ——R.GND——模拟信号“红”的接地端7 ——G.GND——模拟信号“绿”的接地端8 ——B.GND ——模拟信号“蓝”的接地端9 ——No.——保留（各家定义不同）10——GND ——数子信号的接地端11——ID Bit——屏幕与主机之间的控制或地址码12——ID Bit ——屏幕与主机之间的控制或地址码（用于一个主机多个显示屏）13——H Sync——数字的水平行场信号14——V Sync ——数字的垂直行场信号15——N/C——地址码2.2 三基色混色原理常见的彩色显示器一般都是由CRT (阴极射线管) 构成,每一个像素的色彩由R ( 红, Red) 、G( 绿,Green) 、B(蓝,Blue) 三基色构成。

显示时采用的是逐行扫描的方式。

由VGA 显示模块产生的水平同步信号和垂直同步信号控制阴极射线管中的电子枪产生电子束,轰击涂有荧光粉的屏幕,产生RGB 三基色,于显示屏上合成一个彩色像素点。

图表示的是VGA 显示模块与CRT 显示器的控制框图。

图2.2VGA 显示模块与CRT 显示器的控制框图图2.3三基色混色原理系统方案设计3.1 方案论证与选择方案选择本设计采用EDA技术和VHDL语言并结合FPGA技术来实现VGA图像控制器。

VHDL 以并行和顺序的多种语句方式来描述在同一时刻中所有可能发生的事件，具有描述由相关和不相关的多维时空组合的复合体系统的功能。

既避免了采用单片机带来图像的失真，又无需浪费太多的资源。

FPGA速度和片上存储器为VGA图像控制提高了可靠性。

采用EDA技术实现VGA图像控制器的实现具备可行性，而且在现有的实验室条件下，可以很容易的实现VGA的图像控制。

本设计硬件部分使用DE2开发板，板上包含VGA接口，并可提供50MHZ的时钟频率经过时钟二分频产生系统要求的25MHZ的频率即（像素输出频率）；开发软件采用Alter a公司的Quartus Ⅱ6.0。

本设计需要重点考虑的是VGA时序控制的准确性。