基于CPLD的VGA视频显示系统的设计样本.doc

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引言

　　显示系统在工业、 农业及日常生活中扮演着越来越重要的角色, 因此, 对其进行设计与研究具有十分重要的意义。

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device; 复杂可编程逻辑器件)具有编程灵活、 集成度高、 设计开发周期短、 适用范围宽、 开发工具先进等优点, 用户可根据自身需要构造数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台, 用原理图、 硬件描述语言等方法, 生成相应的目标文件, 经过下载电缆将代码传送到目标芯片中, 从而实现数字系统。CPLD的应用当前已深入网络、 仪器仪表、 汽车电子、 数控机床、 航天测控设备等领域, 其设计及应用成为电子工程师必备的一项技能。

系统总体设计方案

　　XC95144XL是5ns引脚延迟、 系统频率高达178MHz、 144个宏单元、 3200个可用逻辑门单元的可编程逻辑器件。本设计采用XC95144XL作为数据传输与控制核心模块, 接受来自TMS320C6416T的视频数据, 并采用两片IS61WV51216ALL组成缓存, 以达到实时输入输出数据的效果。本部分实现框图如图1所示。

图1 视频显示功能框图

系统硬件设计

　　系统硬件设计主要包括: TMS320C6416T与VGA显示系统的接口设计; 2片IS61WV51216ALL SRAM组成的缓存模块; 视频DAC模块。

TMS320C6416T与VGA显示系统的接口设计

　　来自4片TMS320C6416T的图像处理机的EMIFB口连接在一起, 并经过CPLD的仲裁, 使能哪一块图像处理机输出数据至VGA显示系统。

　　采用C6416T的EMIFB口输出处理结果, 当1片C6416T要求输出数据时, C6416T要经过GP01向CPLD发送输出数据请求, CPLD根据内部逻辑确定是否允许C6416T请求。内部逻辑准则如下:

　　各个DSP的输出数据请求优先级别相等, 请求信号先到者先被允许, 后到者不能中断正在响应的请求。对于同时到来的请求, CPLD响应先接收到原始视频信号的C6416T。

　　当CPLD响应一个C6416T的输出数据请求时, CPLD向C6416T的BHOLD#信号发送响应信号( 对EMIFB的保持请求输入信号) 。此时, 数据开始输出。

2片IS61WV51216ALL SRAM组成的缓存模块

2片XC95144XL各自连接1片IS61WV51216ALL组成的图像缓存模块。

　　实时显示控制: 由CPLD对各个6416T图像处理机数据输出接口( EMIFB) 总线进行总线仲裁, 实现各个6416T图像处理机的图像数据分时输出。由于VGA的刷新频率大于输入信号的频率, 因此采用两片SRAM”乒乓存取”工作方式, 组成了图像数据缓冲区, 每片SRAM存放一帧图像, 由CPLD控制其乒乓读写切换以达到实时显示效果。数据缓存电路框图如图2所示。

　　采用一组SRAM作为显存, 能够简化系统设计、 降低成本。这时能够考虑利用行时序和帧时序中SRAM总线空闲的时序段, 在不关闭图像显示的情况下实现显存SRAM的数据更新。该方法的更新率与数据写速度密切相关, 显存的写数据速度越快, 该方法的更新率就越高。

视频DAC模块

　　ADV7123是一个三路10位输入的高速视频DAC, 具有330MHz的最大采样速度, 与多种高精度的显示系统兼容, 包括RS-343A和RS-170, 能够广泛应用于如HDTV、 数字视频系统(1600*1200 @100Hz)、 高分辨率的彩色图片图像处理、 视频信号再现等, 因此能够满足多方面应用需求。视频DAC( ADV7123) 工作原理如图3所示。

图2 数据缓存电路框图

图3 ADV7123工作原理

　　CPLD提供Hsync(行)、 Vsync(场)同步信号, 直接接入15针的VGA显示接口连接器。在点时钟脉冲pixel clock的作用下将3路10位的RGB信号送入数据寄存器, 而后送到3个DAC模块, 复合消隐信号和复合同步信号加到红、 绿、 蓝模拟信号送到输出端。
系统软件设计

　　系统软件设计是本文的重点, 主要包括三部分内容: SRAM读写状态机的设计、 CPLD与SRAM的缓冲模块通信以及VGA时序设计。

SRAM读写状态机的设计

　　以6416为核心的图象处理机经过外部存储器接口向外传送数据, 连接到后端的显示系统; 但SRAM需要严格的通信时序确保数据的完整性, 此处在CPLD内部经过状态机构造SRAM的读时序和写时序, 确保了6416能够和SRAM正常通信, 也确保缓冲模块的正常运行。读写SRAM的时序图如图4和图5所示。

图4 读周期时序图

图5 写周期时序图 

　　当从SRAM中读取数据时: 首先使能片选; UB、 LB时钟处于有效状态; WE为高, 时钟处于无效状态; 主要由OE的时序来控制使其符合读时序图, 才能正确地读出存储器中的数据。在向SRAM中写入数据时, 同样首先使能片选; UB、 LB时钟处于有效状态; OE为高, 时钟处于无效状态; 主要由WE的时序来控制使之符合写时序图, 才能向存储器正确写入数据。

CPLD与SRAM组成的缓冲模块的通信

　　CPLD与SRAM组成的缓冲通信模块, 即如何乒乓读写SRAM机制。设定一个读写标志FLAG, 当一块SRAM写满一帧图像时, FLAG会出现”1”到”0”或者”0”到”1”的跳变, 同时切换数据流的流向, 写另一块SRAM, 同时切换输出至后级DAC的数据流; 如此循环, 软件流程图如图6所示。

VGA时序发生器设计

　　VGA标准时序参考图如图7所示, 并用VERILOGHDL设计For VESA 800*600 @ 60Hz:VGA时序的源代码:

图6 缓冲模块通信软件流程图 

图7 VGA标准时序参考图 
module vga(resetn,clock,hsync,vsync);

input resetn,clock;

output hsync,vsync,blank;

reg hsync, vsync;

reg [10:0] hcnt,vcnt;

//行时序参数

parameter H_PIXELS = 'd806,

H_FRONTPORCH = 'd37,

H_SYNCTIME = 'd128,

H_BACKPORCH = 'd85,

H_SYNCSTART = 'd843,// H_PIXELS + H_FRONTPORCH,

H_SYNCEND = 'd971,// H_SYNCSTART + H_SYNCTIME,

H_PERIOD = 'd1056,//H_SYNCEND + H_BACKPORCH,

//场时序参数

V_LINES = 'd604,

V_FRONTPORCH = -1,

V_SYNCTIME = 'd4,

V_BACKPORCH = 'd21,

V_SYNCSTART = 'd603, //V_LINES + V_FRONTPORCH,

V_SYNCEND = 'd607,// V_SYNCSTART + V_SYNCTIME,

V_PERIOD = 'd628; //V_SYNCEND + V_BACKPORCH;

always @ (posedge clock or negedge resetn)

if(!resetn)

hcnt <= 0;

else if(hcnt<H_PERIOD)

hcnt <= hcnt + 1;

else

hcnt <= 0;

always @ (posedge clock or negedge resetn)

if(!resetn)

hsync<= 1;

else if(hcnt >= H_SYNCSTART && hcnt < H_SYNCEND)

hsync <= 0;

else

hsync<= 1;

always @ (posedge hsync or negedge resetn)

if(!resetn)

vcnt<=0;

else if(vcnt < V_PERIOD)

vcnt <= vcnt + 1;

else

vcnt<=0;

always @ (posedge hsync or negedge resetn)

if(!resetn)

vsync <=1;

else if(vcnt >= V_SYNCSTART && vcnt < V_SYNCEND)

vsync <=0;

else

vsync <=1;

系统分析

经过重复测试, 系统能够将采集端数据实时传送到显示器上, 具体性能指标如下:

　视频输出: VGA视频输出

　视频显示DA转换精度: 10bit

　图像输出标准: SVGA( 75Hz, 800×600)  

　 显示分辨率: 10bit

结语

　　该VGA视频显示系统不但能够稳定地采集图像数据, 而且能够实时将数据传输到CRT显示器, 便于以后人工综合分析、 处理。它特别适用于大型商场等显示端, 能够说是一个理想的解决方案。
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