基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计
基于FPGA的VGA接口显示的设计与实现
编号基于FPGA的VGA接口显示的设计与实现Design and implementation of VGAinterface based on FPGA display学生姓名王雪专业控制科学与工程学号S120400520指导教师杨晓慧学院电子信息工程学院二〇一三年六月摘要利用现场可编程逻辑器件FPGA产生VGA时序信号和彩条图像信号,并将其作为信号源,应用于彩色等离子显示器的电路开发,方便彩色等离子显示器驱动控制电路的调试。
FPGA芯片具有可靠性高、编程灵活、体积小等优点，实验经过软硬件调试，最终在显示器上显示彩条正确图像。
利用此原理，可以设计更多的彩色图像，且可将采集的图像进行实时显示，将此作为信号源，应用于显示器电路的开发或某些嵌入式系统中，进行视频设备的调试与性能分析或系统中信号处理模块的调试与性能分析等。
关键词：FPGA VGA接口时序控制彩条信号AbstractVGA-timing signals and color strip image were obtained by using FPGA.The signals were used as sources when developing the circuits of color plasma display panel, and it took great convenience to the debugging of the driving and controlling circuit of color plasma display panel.The FPGA chip has the advantages of high reliability, small volume, flexible programming,just because of this,the test could achieve the desired results,display scree displays color bar signals.According to this principle, we can design color image more, and make the image real-time display, such as the signal source, used in display circuit development or some embedded systems, video equipment debugging and performance analysis of the system signal processing module debugging and performance analysis.Keywords:FPGA, VGA interface,timing control, color bar signals目录摘要 (1)Abstract (2)第一章引言 (4)第二章VGA显示接口的方案设计和原理 (5)2.1 VGA接口 (5)2.2 VGA显示原理 (5)2.3 VGA信号时序 (6)2.4 VGA显示方案实现 (7)第三章系统模块设计 (8)3.1系统模块原理图 (8)3.2 分频模块 (8)3.3 VGA彩条信号产生模块 (8)3.4 实验结果 (12)第四章结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)第一章引言视频图形阵列（VGA）作为一种标准的显示接口已经得到广泛的应用。
基于FPGA-CPLD的VGA显示系统设计
基于FPGA/CPLD的VGA显示系统设计和数据的存储。
用FPGA 对图像进行存储和整理，并产生驱动电路需要的各种控制波形由视频控制器对颜色缓冲器进行扫描，其中视频控制器可以读取像素颜色，用这些颜色来控制输出设备的亮度。
VGA 时序发生器模块产生显示器所需的时序，这是完成设计的关键，时序稍有偏差，显示必然不正常，甚至会损坏彩色显示器。
3、VGA 时序分析显示器采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在CRT(阴极射线管)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。
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，与电视机的原理一样。
隔行扫描的显示器扫描闪烁的比较厉害，会让使用者的眼睛疲劳。
目前微机所用显示器几乎都是逐行扫描。
逐行扫描是指扫描从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点进行扫描，每扫描完一行，电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT 对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行行同步;当扫描完所有行，形成一帧时，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方，同时进行行场消隐，开始下一帧的扫描。
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。
VGA 显示器要正确显示图像关键还是如何实现VGA 时序。
视频电子标准协会( VESA, Video Electronics Standards Association)对显示器时序进行了规范。
VGA 的标准参考显示时序如图2、图 3 所示。
行时序和场时序都需要产。
基于FPGA的HDMI视频显示系统设计
信息，将高清图像数据存入 FPGA 的 DDR3，再经过一系列图像、算法处理，最后用 HDMI 显示器进行显示。与传统的监控设
备相比，采用 FPGA 架构进行设计的一个优点是可以将整个系统的处理延迟降到最低，通过调整 DDR3 存储中的缓存数据，
可以将延迟缩短为 1 帧。另一个优点是借助于 FPGA 丰富的引脚和强大的并行处理能力，可以同时采集并处理多路视频信
Aug. 2021 Vol. 44 No. 16
35
基于 FPGA 的 HDMI 视频显示系统设计
张振利，韩凌锋
（江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000）
摘 要：针对国内外的研究方向以及市场对于高清图像采集与显示的需求，文中分析了国内外高清视频采集与显示技
术的现状和最新成果，主要研究一种基于 FPGA（现场可编程门阵列）为核心视频显示系统。采用图像传感器实时采集图像
息，在降低成本的同时也提高了数据的处理速度。通过实验验证，该文系统可以对 60 f/s 1 920×1 080 视频图像进行有效快
速的处理，从而验证了该文系统的有效性和优越性。
关键词：视频显示；HDMI；FPGA；图像信息采集；图像处理；仿真测试
中图分类号：TN986⁃34；TP273
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2021）16⁃0035⁃05
Design of HDMI video display system based on FPGA
ZHANG Zhenli，HAN Lingfeng
（Electrical Engineering and Automation Institute，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）
基于FPGA的HDMI多模式显示模块设计
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｎ ７ ９； Ｔ Ｐ ３ ９ １
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． １ ６ １ ５ ７ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ２ ５ ８ － ７ ９ ９ ８ ． １ ７ １ ６ ８ ３
中文 引 用格 式 ：向梓 豪 ， 陆安江． 基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的 Ｈ Ｄ ＭＩ 多 模 式 显示 模 块 设计 【 Ｊ ］ ． 电子 技 术应 用 ， ２ ０ １ ７， ４ ３ （ １ ２ ） ： ４ ８ — ５ １ ．
Ｅｍｂ ｅ ｄｄ ｅ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏｌ ｏｇ ｙ
ห้องสมุดไป่ตู้
基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的 Ｈ Ｄ ＭＩ 多模 式显示模块设计
向梓 豪 ， 陆 安 江
（ 贵 州大 学 大 数据 与 信 息工 程 学 院 ， 贵州 贵阳 ５ ５ ０ ０ ２ ５） 摘 要 ：通 过 Ｓ Ｏ Ｐ Ｃ 进 行 视 频 信 号 处 理 是 目前 研 究 的 热 点 。 针 对 此 类 系 统 的 显 示 模 块 ， 提 出一种基 于 Ｆ Ｐ ＧＡ 的 ＨＤ ＭＩ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｕｓ ｉ ｎ ｇ Ｓ ＯＰ Ｃ ｔ ｏ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ ｓ ｉ ｎａ ｇ ｌ ｉ ｓ ａ ｈ ｏ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ． Ａｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ＨＤＭＩ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｍｏ ｄ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ Ｐ ＧＡ
基于FPGA的VGA显示系统的设计与实现
责任编辑：叶雷
基于FPGA的VGA显示系统的设计与实现
Design and implementation of VGA display system based on FPGA
陈启武 白天蕊 西南交通大学 信息科学与技术学院（四川 成都 610031）
基色信号实现图像的正确显示。
图像显示控制模块vga_control_module.v的部分代码如
下：
module vga_control_module
(
input CLK, RSTn, Ready_Sig;
input [10:0] Column_Addr_Sig, Row_Addr_Sig,
input [63:0] Rom_Data;
摘要：针对VGA（视频图形阵列）接口显示器的检测需求，设计了一种基于Altera FPGA的VGA显示系统。详细介 绍了VGA显示的原理，采用硬件描述语言Verilog完成了VGA显示所需的驱动时序和图像存储相关模块的设计，并 对整个系统进行了综合仿真，验证了设计的正确性。仿真与测试结果表明，该设计可以在简单的情况下实现图像 或字符显示，节约了硬件成本，还可以满足不同显示标准的需要。 关键词：VGA；图像显示；FPGA；设计实现 DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.013
此外，FPGA电路的可重构性，为系统功能的优化和升级以及
功能拓展提供
了很大的设计
空间。因此，
由FPGA完成
VGA图像的显
示和控制，较
好的实现了图
图1 VGA接口电路
像数据处理的
实时性和可靠性，具有成本低、结构简单、应用灵活的优点， 可以广泛应用于视频和计算机的显示技术领域。
基于FPGA的HDMI视频接收与显示系统设计
信息与电脑 China Computer&Communication
软件开发与应用
基于 FPGA 的 HDMI 视频接收与显示系统设计
王继学 1 蒋建国 1,2 齐美彬 1,2
（1. 合肥工业大学 计算机与信息学院 , 安徽 合肥 230009； 2. 工业安全与应急技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009）
(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China; 2.Anhui Province Key Laboratory of Industry Safety and Emergency Technology, Hefei Anhui 230009, China) Abstract: At present, most of the video capture on the market is general -purpose. According to the application requirements of the acquisition and display of embedded HD video images, the author presents a method of HDMI digital high-definition video capture and display based on FPGA. The system uses FPGA as the main controller, and designs the front-end video capture module, high-speed video transmission module and high-definition video display module through hardware description language programming, effectively realizes the real-time video capture, transmission and display. Through the experimental verification, the system can provide effective processing for video images of 60 fps, 24 bit and 1080 p, which proves the rationality and superiority of system hardware and software design. Key words: image acquisition and processing; FPGA; edge processing
毕业设计-基于FPGA的VGA显示
VGA显示器控制电路论文前言VGA(视频图形阵列)作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。
利用FPGA 芯片和EDA设计方法，可以因地制宜，根据用户的特定需要，设计出针对性强的VGA显示控制器，不仅能够大大的降低成本，还可以满足生产实践中不断变化的用户需要，产品升级换代方便迅速。
在本设计中采用Altera公司的EDA软件工具Quartus II,并以Cyclone II 系列的FPGA的器件作为主实现硬件平台的设计。
一、FPGA的原理FPGA 是Filed Progranmmable Gate Array的缩写，即现场可编程逻辑阵列。
FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件它一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔丝（Anti_Fuse）工艺等。
FPGA的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。
FPGA的基本组成部分有可编程输入/输出单元，基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。
FPGA 的主要器件供应商有Xilinx、 Altera、 Lattice、 Actel和 Atmel 等。
二、 VGA转换接口的简单描述本设计另外自制VGA接口电路。
VGA时序控制模块是整个显示控制器的关键部分，最终的输出信号行、场同步信号必须严格按照VGA时序标准产生相应的脉冲信号。
对于普通的VGA显示器，其引出线的共含5个信号：G,R,B（三基色信号），HS（行同步信号），VS（场同步信号）。
在五个信号时序驱动时，VGA显示器要严格遵循“VGA工业标准”，即640Hz×480 Hz×60Hz模式。
下图（1）为VGA显示控制器控制CRT显示器VGA（Video Graphic Array）接口，即视频图形阵列，也叫做D-Sub接口，是15针的梯形插头，分3排，每排5个，传输模拟信号。
基于FPGA的VGA接口设计
毕业设计（论文）基于FPGA的VGA显示接口设计摘要本文基于FPGA芯片设计实现了一个用于stm32单片机外围的VGA接口模块，该模块以VGA接口的工业标准作为设计规范，使VGA显示器成为了stm32单片机的显示输出设备，适合所有的液晶显示器和CRT显示器。
本系统采用带VGA接口的OLED显示器，OLED显示器具有体积小、分辨率高、功耗低、色彩丰富等特点，非常适合穿戴。
模块与STM32单片机的接口使用Intel8080总线方式，非常适合STM32的FSMC读写模式，能方便地对屏幕任意像素进行读写操作。
关键字FPGA，VGA，OLED，STM32VGA display interface design based on FPGAAbstractAs people pursuit for more fun from games and the progress of science and technology, in the wargame , in order to make the team have a clear understanding of the battlefield situation, we use the OLED which is a kind of micro display to show all the information. The micro display generally use the VGA interface. With the development of manufacturing technology, VGA interface has become more compact, it has advantages of low cost, high resolution rich color etc. FPGA with high flexibility can be designed differently according to the needs, achieve the lowest cost. This paper designed a VGA display interface based on FPGA.Useful signal of the VGA interface is the horizontal synchronization signal, vertical synchronization signal and R,G,B signals. In this paper, we use FPGA to produce the horizontal synchronization signal and vertical synchronization signal, and the data from memory is converted into analog R,G,B signal by FPGA. The design use ISSI 25616 SRAM as the memory connectted by STM32F103VCT6.Key words ：FPGA,VGA interface,OLED1 绪论1.1 选题背景目前市场上应用最多的是液晶显示器，也即LCD显示器，这种显示器体积小，辐射低，它已经完全取代了过去体积笨重的CRT显示器。
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基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计摘要随着图像显示技术的快速发展，图像用户界面和人机交互界面正朝着智能化、高速化、大屏幕化方向迈进。
目前图像显示系统多数是采用早期的专用处理芯片，其运算速度和设计灵活性一般都较低。
FPGA 的发展为图像存储与显示系统的高速和高集成度提供了新的方法和解决思路，FPGA 本身拥有着强大的逻辑资源，并利用片外的配置资源和模块化的设计思路，可实现图像存储与显示系统。
论文采用 Altera 公司推出的Cyclone IV FPGA，结合该系列芯片的结构特点，对其功能以及配置方式做了详细的说明，并简要的介绍了系统设计中所涉及的软硬件开发环境和显示原理，重点研究基于 FPGA 的图像信号剪切、存储和显示，系统采用基于FPGA的高速阵列的信号处理模式，提出了一种基于硬件的图像存储与显示的视频拼接显示方法。
该设计以 FPGA 为数字处理的核心，分为图像处理模块、图像存储模块和图像显示模块，通过处理输入的视频信号，把视频剪切成两部分，分别以VGA和HDMI在两个显示器里分别显示，实现了视频的拼接显示功能。
关键字：FPGA VGA HDMI 拼接显示VGA and HDMI video splicing FPGA-based displayABSTRACTAs the image shows the rapid development of technology, graphical user interface and interactive interface is moving intelligent, high-speed, large screen direction. At present, the majority of the image display system is the use of dedicated processing chip early, usually its speed of operation and design flexibility are low.FPGA development for high-speed and highly integrated image storage and display system provides a new approach and solution ideas, FPGA itself has a powerful logic resources and use off-chip resource allocation and modular design ideas can be realized Images storage and display system.Thesis, Altera has introduced Cyclone IV FPGA, combined with the structural characteristics of the chips and their functions as well as a detailed configuration instructions, and a brief description of the system involved in the design of hardware and software development environment and display principle focus Cut image signal based on FPGA, storage and display, the system uses the signal processing FPGA-based high-speed mode arrays, we propose a hardware-based image storage and display method for displaying video splicing.The digital processing designed to FPGA core, divided into an image processing module, an image storage module and an image display module, by processing the input video signal, the video cut into two parts, respectively in the two VGA monitors and HDMI Lane respectively display, to achieve a video mosaic display function.Key words: FPGA VGA HDMI Tiled Display目录1 绪论 ............................................................ 错误!未定义书签。
2 系统总体设计与技术基础 (2)2.1技术概述 (2)2.1.1 Altera FPGA 介绍 (2)2.1.2 显示原理 (3)2.1.3 颜色空间 (5)2.1.4 FPGA设计流程简介 (5)3 系统硬件设计 (7)3.1FPGA器件选型及外围电路 (7)3.2FLASH电路设计 (8)3.3DDR2电路设计 (8)3.4视频输入电路设计 (10)3.5VGA接口电路设计 (12)3.6HDMI接口电路设计 (15)3.7硬件电路总体框图 (16)4 软件部分设计 (17)4.1图像剪切模块 (17)4.2图像存储模块 (18)4.3图像显示模块 (20)4.4软件总体框图 (21)5 设计流程及结果 (23)5.1工程编译 (23)5.2下载程序 (23)5.3板级仿真与验证 (24)5.4实验结果 (25)5.5设计总结 (25)参考文献 (27)致谢 ........................................................... 错误!未定义书签。
附录 (29)1前言随着科学技术的高速发展，显示系统的应用越来越广泛，从日常生活到工业控制再到航空航天等行业都离不开显示系统。
而且随着显示要求的提高，单个显示器已经不能满足人们的需求，在一些领域需要对视频进行分割拼接显示，比如大家常见的安防监控。
驱动液晶显示器，需要很高的扫描频率以及极短的处理时间，而且还是驱动一定数量的液晶显示器，对处理数据的能力更加苛刻。
从国内外显示系统的发展历程来看，主要出现了以下几种技术方案：（1）基于 ARM 的显示控制系统，它是以 ARM 微控制器为处理的核心，系统虽然具有体积小、接口丰富和功耗低的优点，但是它的开发周期过长，系统不易于移植和升级，而且如果用于如图像这种数据吞吐量比较大的处理，其运行速度受到限制，这个问题不容忽视。
（2）基于 DSP 的显示控制系统，这种方式采用复杂的可编程逻辑器件和数字信号处理器，具有强大的数字处理能力和较快的运行速率。
系统虽能满足大数据量的运算要求，但是成本很高，并且电路设计复杂，不利用二次开发。
（3）基于FPGA的显示控制系统，这种方式不仅运算速度快、电路设计简洁，而且成本相对较低，还便于移植和二次开发随着FPGA（Field-Programmable gate array）现场可编程门阵列不断的发展，其价格也不断的下降，逐渐地显现出 FPGA 的应用优势。
FPGA是一种硬件架构，管脚丰富和灵活，便于进行二次开发。
因此目前，嵌入式系统中越来越多的采用了基于 FPGA 的设计方案。
对于图像拼接技术而言，虽然拼接方法众多，但各方法适用条件各异、鲁棒性差别较大，在使用时需要通盘考虑，择优选择，并针对特定应用需求进行相应改进，然而很少有人能够对现有的图像拼接方法进行总结归纳，对各图像拼接方法的适用范围、算法复杂度、配准精度等问题给予明确说明，导致其不能很好的应用于实际项目中。
对于视频拼接技术而言：一方面，实时性一直是困扰视频拼接的最大障碍。
在现有条件下如何既能保证较好的拼接效果，又能够很好的满足实时性的要求，成为当下研究中重点要解决的问题；另一方面，在移动视频拼接系统应用需求激增的情况下，缩小硬件体积也是一个关键的问题。
2 系统总体设计与技术基础2.1 技术概述2.1.1 Altera FPGA 介绍FPGA (Field Programmable Gate Array)是现场可编程门阵列，逐渐取代了以往的PAL、CPLD等可编程逻辑器件，是目前使用最广泛的逻辑器件。
FPGA的大体结构包括三个部分，CLB（可编译逻辑块），IOB（输入/输出块）和BRAM （随机储存记忆块）。
可配置逻辑模块（CLB）含有RAM-based LUTs（Look-Up Tables），从而实现逻辑和存储单元。
CLB可通过编程来实现广泛多样的逻辑功能，同样也可储存数据。
FPGA中除了具有用LUT构成的分布随机存储器之外，还有块存储器（Block SelectRAM Memories）。
块存储器是真正的双端存储器（True Dual-Port RAM），提供了高速的、分布式的、大块的存储资源，在FPGA里块存储器排成几条纵队，块存储器的总量是由器件型号决定的，这些块存储器级联后可以构成更深、更宽的存储器。
FPGA 是基于查找表技术，查找表本质上就是一个分布式RAM存储器，因此结构等同于有4位地址线的随机存储器，如图所示。
图 2.1 LUT 单元结构由图2.1可知，四个输入作为地址进行查表，该地址上的值是由编译软件写好，该值就是所需要的逻辑值。
目前，生产FPGA的厂商有Xilinx、Altera、Lattice等公司，其产品结构均基于查找表结构。
本系统在设计时，采用的是Altera公司生产的Cyclone IV系列芯片作为系统开发。
2.1.2 显示原理VGA（Video Graphics Array），中文是视频图形阵列，使用的是模拟信号传输数据。
现在大部分的计算机显示器都带有VGA接口，它是最普遍的一种显示接口，如图所示。
图2.2 VGA接口HDMI（High Definition Multimedia），中文是高清晰度多媒体接口，使用的是数字信号传输数据。
HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，保证高质量的视频信号传输。
图2.3 HDMI接口R、G、B(3基色信号)、HS(行同步信号)、VS(场同步信号)是我们在设计VGA和HDMI 需要考虑的5个信号。