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欧姆龙安全控制器GSPNS的使用笔记正式版

欧姆龙安全控制器G9SP-N20S的使用笔记

1. 打开软件G9SP Configuratior，新建项目，在弹出的对话框中左侧列表选择安全控制器G9SP-N20S并拖动到CPU Unit框中，如果有其他扩展单元的，也按型号依次拖到右侧框中，如下图。单击下一步，

2. 配置输入/输出端子，如下图。输入接三个急停按钮，每个急停有两组闭点，输出为继电器输出。

3. 编辑输入/输出端子注释，如下图。也可以不编辑。

4. 为安全PLC编程，如下图。详见：G9SP-N20S示例.gcf。

摘　要
本文将介绍一个全桥逆变器，其基本电路结构是由四个N沟道的ＭＯS管和专门的MOＳ管驱动芯片IR2１１０组成的全桥电路。由于H桥电路属于高压大电流所以本文通过光耦实现对控制电路的隔离。通过单片机产生的PWＭ开关信号来控制Ｈ桥的上管,产生的SPWM调制信号来控制H桥的下管，然后通过ＬC滤波来实现ＤC到AC的转化。为了有稳定的正弦波输出本文还采用了电压反馈。
关键词:LNＫ304、SPＷM、死区、浮地、ＤC—ＤＣ转化芯片。
一、引言
逆变器（inｖｅrter)是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为２20ｖ5０HＺ正弦或方波).应急电源，一般是把直流电瓶逆变成２20V交流的.通俗的讲,逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电(AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VＣD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等　。不过本文设计的是２４Ｖ交流输出的逆变器。
二、项目背景及意义
生活中我们通常用到的用电设备都是由24V交流电源供电，况且电网只能提供２2０V的交流电，这时我们就需要由逆变器吧各种直流电源逆变为２4V交流电源,为用电器供电，对于这个移动的社会在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的24伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。
三、任务要求
（1)在交流供电U1=36ＶＡC和直流供电U1=36VＤＣ两种情况下，保证输出电压Ｕ2=24VAＣ,且保证其频率为50±1Hｚ，额定输出电流1A；
(2）交流供电时，电源达到以下要求:
1）电压调整率：满载条件下，U1从２9VAＣ增加至４3VAC,Ｕ２变化不超过5%；
　 2)负载调整率：Ｕ1=36VＡC、Ｕ２=2４VAC，从空载到满载,U2变化不超过５％；
（3） 具有输出短路保护功能。
（4） 满载条件下，输出为正弦波,失真度不大于５％。

逆变器设计的总体框架图：

图一：总体框架图
四、逆变硬件电路的设计
（1)H桥
半桥逆变功率转换主电路与全桥电路的区别就是,用另外两只电容代替两个同样的开关管,即由 2　只开关管和电容组成逆变开关电路。从电路图上可以很方便的看出一点明显的区别，就是开关管的数量不同.半桥式电路的开关管数量少，成本也就相应的低。全桥式电路有4 只开关管，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，那就难免导致驱动电路的复杂。半桥式电路由于只有两只管子，没有同时通断地问题,且其抗不平衡能力强,也就是说对 duty　的要求不是很高，所以驱动电路相对于全桥就简单很多。

半桥和全桥电路的适用场合也不相同。半桥式电路变压器原边电压为 ± 1/2　Vｄc ,而全桥式电路变压器原边电压为 ± Vdc　。 Ｐ=V 原边 *I 输入 ，要想输出相同的功率,半桥式电路的输入电流就要是全桥式电路的 2 倍;换句话说,如果他们的开关电流一样，电源输入电压也相等,半桥式的输出功率将是全桥式的一半.因此，半桥式电路不适用于大功率的逆变电路。而且，由于其输入电压电流的不同,变压器的设计上也存在一定的区别,半桥式电路变压器原边线径要粗一些，全桥式电路的原边线圈匝数则要相对多一些.但由于考虑到半桥电路是根据2个相同的电容来实现对Vdc的分压，而实际中比较难实现完全相等的分压效果,所以本文还是采用了全桥电路。

全桥电路可以采用MOS管、三极管、ＩＧBＴ组成。但是一般采用主要MOＳ管,与三极管相比MOＳ管只需要电压，而三极管必须需要一定的前级电流，这样会导致前级驱动电路的功耗加大,结构也更复杂。而ＭOS管与IGＢT相比则又稍差点,主要是因为IGＢＴ可以输出很大的电流，但是IGＢＴ的价格比较贵，综合考虑本文采用了MOS管。
我们知道由MOＳ管组成的全桥电路有两种:四个N沟道的MOSＦET、两个P沟道两个N沟道的ＭＯSFEＴ，具体如下图2,3.

图2：4N沟道H桥电路 　图3：上管P沟道的H桥电路
第一种方案它的优点是价格比较便宜，而且N沟道输出的电流比P沟道要大很多。
但是从驱动电路来说,相比与上管为P沟道的MOS管要复杂的多，它需要浮地驱
动。而上管为P沟道的MOS管只需经过一个三极管就可以了，具体电路如图4.但
是由于设计要求需要1A的输出电流，所以本文采用了第一种方案。

图4：三极管驱动电路
(2)驱动电路
由于本文采用了4个N沟道构成的H桥主控电路,所以驱动电路用分立元件搭会比较的复杂所以本文采用了ＩR2110.IR2１１0是IR公司生产的大功率MOSFＥT和IGＢT专用驱动集成电路，可以实现对ＭOSFEＴ和IGＢT的驱动,同时还具有快速完整的短路保护电路。IR21１0的内部结构图如下图5。

　　 图5:ＩR2110的内部结构图
图中HIN和LＩN为逆变桥中同一桥壁上下两个功率MOS管的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号的输入端,当该脚为高电平时，ＩR2１1０的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平;而当该引脚为低电平时,IＲ2110的输出信号随ＨIN和LIN而变化。在实际电路中，该端接用户保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号的输出端,驱动同一桥壁的MOSＦET，短路保护电路如图6。

图6：短路保护电路
我们知道四个N沟道组成的H桥电路，需要浮地驱动.下面就介绍下IＲ２1１0的高压侧悬浮驱动的原理.IＲ2１1０ 用于驱动半桥的电路如图７ 所示。图中C1、ＶD１ 分别为自举电容和二极管，C2 为ＶＣC 的滤波电容。假定在Ｓ1 关断期间C1 已充到足够的电压（VC1≈VCC）。当HIN 为高电平时VM１　开通，ＶM2 关断，VＣ１ 加到Ｓ１ 的门极和发射极之间，C1 通过ＶM1,Rg1 和S1　门极栅极电容Cgｃ１ 放电，Ｃgc1 被充电。此时VC1 可等效为一个电压源。当HIN　为低电平时,VM2 开通，VM1 断开，S1 栅电荷经Ｒg1　、ＶＭ2　迅速释放，S１　关断。经短暂的死区时间（td)之后，LIN 为高电平,S2 开通，VCC　经VD1，S2 给Ｃ1 充电,迅速为C１　补充能量。如此循环反复。　

图7:IＲ２11０的浮地驱动
自举电容的设计,我们知道MOS管开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压(10V，高压侧锁定电压为8.７／8.3V)要高;再假定在自举电容充电路径上有１.5V 的压降(包括VD1 的正向压降)；最后假定有1/２ 的栅电压（栅极门槛电压VTH　通常3～５Ｖ）因泄漏电流引起电压降.综合上述条件,此时对应的自举电容可用下式表示：C1=２Qｇ/（VＣＣ－10－１.５）。
例如IRF8４０ MOSFET来说充分导通时所需要的栅电荷Qg=2．５*1０^4nＣ（可由特性曲线查得）,VCＣ=１5V，那么　
C1=2×2．5×10^４*1０^-９/(15-10－1。5)＝1。4×１0—6Ｆ
可取C１=2。2μＦ 或更大一点的,且耐压大于35V　的钽电容.
我们知道驱动电路一般都处于弱电和强电之间,所以为了提高系统的稳定性和安全性，本文采用了TLP２50（光耦隔离芯片)。

图8:光耦隔离
(3)辅助电源
由于本文需要12V、5Ｖ、—5Ｖ的辅助电源,所以本文采用了ＬinkSwiｔch—ＴＮ系列四端非隔离式、节能型单片开关电源专用IC。它是专门为取代家用电器及工业领域所用小功率线性电源而设计的，不仅去掉笨重的电源变压器,还克服了阻容降压式线性电源负载特性差的缺陷。本文采用了LiｎkSwitch—ＴＮ系列中的LNK3０4专用开关电源IC，其输入电压范围在交流８5～2６５V范围且具有良好的电压调整率和负载调整率。而且从它的PDF文档中也不难看出它可以采用直流输入.

图8：LNK的应用电路

(4）反馈电路—AＤ736
由于任务要求交流供电时，电源达到以下要求：
１）电压调整率:满载条件下，Ｕ1从29ＶAC增加至４３VAC，U２变化不超过５%；
　 2)负载调整率：U1=36ＶAC、U2=24VAC,从空载到满载,Ｕ２变化不超过5％；
所以本文采用了真有效值转换芯片AD736,AD7３6是经过激光修正的单片精密真有效值ＡＣ／DC转换器.其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mＶRMS)、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达０～460kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为20０μA。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%．
AＤ736有多种应用电路形式，图9为双电源供电时典型的应用电路.该电路的＋Vs与COＭ、—Vs与ＣOM之间均应并联一只0.１uf的电容以便滤掉该电路中的高频干扰，Ｃc起隔直作用。如果按图中虚线方向将1脚和８脚短接而成Cc失效，则所选择的就是AC+DC方式;如果去掉短路线，即为AC方式。R为限流电阻，D1和Ｄ2为双相限幅二极管,起过压保护作用.

图9:ＡD736外围电路

五、 逆变软件部分的设计
全桥逆变控制方式主要分为双极性控制方式和单极性控制方式。双极性控制是对角的一对开关为同步开关，桥臂上下管之间除死区时间外为互补开关,控制相对简单,但是它的开关损耗高,存在很大的开关谐波,电磁干扰大,而单极性控制可以很好地解决这些问题。全桥逆变器单极性控制仅用一对高频开关，相对于双极性控制具有损耗低、电磁干扰小、无开关频率级谐波等优点，正在取代双极性逆变控制方式。但由于控制环路的延时作用，单极性控制方式的逆变器仍然受一个问题的困扰,即在过零点存在一个明显的振荡。
本文采用的是单极性SPWM，我们知道可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成ＳPＷM波形.但这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成的SPWM波形变得比较容易，因此，目前SＰWＭ波形的生成和控制多用微机来实现.本文主要介绍软件生成ＳPＷM波形的几种基本方法。
(1）自然采样法按照ＳＰWＭ控制的基本原理,在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SＰWM波形的方法称为自然采样法.正弦波在不同相位角时其值不同,因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外,当正弦波频率变化或幅值变化时,各脉冲的宽度也相应变化。要准确生成ＳPWM波形，就应准确地算出正弦波和三角波的交点。

图１０：生成SＰWM波形的自然采样法
交点Ａ是发出脉冲的时刻ｔA,交点B是结束脉冲的时刻ｔB，t2为脉宽，ｔ１＋t3为脉宽间歇时间，Tc＝t1+t２+t3。为载波周期,M=Uｒm/Utm为调制度，Urｍ为调制波幅值,Utｍ为载波幅值。设Uｔm=1，则Ｕrm=M，正弦调制波为ur=Msｉnω1t,ω1为调制频率,也是逆变器输出频率。由几何相似三角形关系可得脉宽计算式t2=Tc/2［1+M/2（siｎω1tＡ＋sinω1ｔB）]这是一个超越方程,tA、ｔB与载波比Ｎ和调制度Ｍ都有关系，求解困难，并且tl≠t３，计算更增加困难，这种采样法不适宜微机实时控制.
（2） 规则采样法1自然采样法的主要问题是ＳPＷM波形每个脉冲的起始和终了时刻tA和tB对三角波的中心线不对称，使求解困难.如果设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线对称，于是就可以简化，而且两侧的间隙时间相等，即t1=t3，从而使计算工作量大为减轻。
规则采样法有两种，图10为规则采样I法。其特点是：它固定在三角载波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中Ｄ点,求得电压值Ｕｒd。用此电压值对三角波进行采样，得A、B两点,就认为它们是ＳPWM波形中脉冲的生成时刻，Ａ、B之间就是脉宽时间t2。规则采样I法的计算显然比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显地偏小,从而造成不小的控制误差。这是由于采样电压水平线与三角载波的交点都处于正弦调制波的同一侧造成的.

图11：规则采样法1
(３)规则采样2
图１1中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值,但所取的不是三角载波的正峰值,而是其负峰值，得图中E点，采样电压为Ｕrｅ。在三角载波上由Urｔ水平线截得A、B两点,从而确定了脉宽时间ｔ2。这时，由于A、B两点坐落在正弦调制波的两侧,因此减少了脉宽生成误差，所得的SPＷM波形也就更准确了。规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波,使算法简化.在规则法中，三角波每个周期的采样时刻都是确定的,不作图就可算出相应时刻的正弦波值。以规则采样Ⅱ法为例，采样时刻的正弦波值依次为Ｍsiｎω1te、Ｍsin (ω1ｔe+Tc）、Msin (ω1te+２Ｔc）…,由几何相似三角形关系可得脉宽计算公式ｔ2=Tc/2（1+Msinω1te）,间歇t1=t３＝1/2（Ｔc-ｔ２）。

图12：规则采样法2
本文采用的是规则采样法来生成ＳPWM波，下面是程序设计的流程框图。

图13：SPWM生成的流程框图
六、 电路仿真和结果分析
（1） SPWM的生成

　　　 　 　 　 　 图14：ＳPWM的仿真图 　　 　 　

两路互补的PWM波形

两路互补的ＳPWＭ波形
(2）输出波形

空载输出波形 　 　　　 　 　 　带载输出波形

附件A
逆变电路的原理图

附件B
逆变的PＣB图

四川师范大学成都学院本科毕业设计

基于ＦＰＧＡ的VGA图像显示控制器设计

学生姓名
郑旺明
学 号
2008１04058
所 在 系
电子工程系
专业名称
电子信息工程(工民电)
班　　 级
20０8级2班
指导教师
胡迎刚

四川师范大学成都学院
二○一二年五月

摘要
本文介绍了一种利用可编程逻辑器件实现VGA图像显示控制的方法,阐述了VＧA图像显示控制器中ＶGA显像的基本原理以及功能演示，利用可编程器件FPＧA设计VGA图像显示控制的ＶHDL设计方案，并在Altera公司的QuａrtusIＩ软件环境下完成VＧA模块的设计.而且给出了VGA模块的设计思路和顶层逻辑框图.最终实现ＶGＡ图像显示控制器，VＧA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是在图像数据传输到计算机,并通过显示屏显示出在传输过程中,将图像数据的ＣPU需要不断的信号控制，所以造成CPU的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性.ＦPＧA芯片和EDA设计方法的使用,可根据用户的需求，为设计提供了有针对性的VGＡ显示控制器,不需要依靠计算机，它可以大大降低成本,并可以满足生产实践中不断改变的需要，产品的升级换代和方便迅速。

关键词:可编程逻辑器件 VＧA 图像控制器

Aｂstrａct
Thiｓ paｐｅｒ intｒodｕces a ｋinｄ ｏf make use of the prｏgramｍabｌe ｌogic　dｅｖices　ｒｅaｌｉｚｅ ＶGＡ　imaｇeｓ　shoｗ ｃontｒol　mｅthod, ａｎd expounds the VGA iｍaｇes ｓhow contｒoller ＶGA　iｍaｇing　the bａｓic princiｐlｅ and the demo　ｆuｎction, using ｔhｅ prｏgrammａbｌe deviｃe　FＰGA dｅｓign VＧＡ ｉｍaｇｅs sｈｏｗ the ｃonｔrol deｓign ＶHDL, Aｌtｅrａ company ｉn ｔｈe　QuartusII softｗare enviroｎｍeｎｔ ｃｏmpｌeｔe VGA　modulｅ　desｉgn.　Given thｅ VGＡ ｍodｕle, ｔhe desiｇn ｉdea aｎd ｔｏp loｇｉc diaｇrａm。 Finaｌly rｅａliｚe　tｈｅ VＧA imagｅ　displａy conｔroller，　VＧA iｍａge coｎtrｏlｌeｒ is a larger　ｎumber　ｓystｅm,　ｔhｅ tradiｔional　imaｇe shoｗｓ thｅ　mｅthod　is in thｅ ｉmａge　dａｔa trａnｓmissioｎ　to　ｔhe　coｍputeｒ， ａｎd　through the ｓｃrｅｅn　sｈｏws iｎ　thｅ tranｓｍisｓion process，　tｈe　imａgｅ　ｄａta CPU rｅquires consｔａnt ｓignal control, therｅforｅ crｅates ＣPU resourcｅs　wａsｔe， the　ｓyｓtem also ｎeed to ｒelｙ　on ｔhe cｏmpuｔｅr, thus ｒｅdｕcｉng　thｅ flｅxibilｉtｙ ｏf　ｔhe sｙstem。 ＦPGA chip aｎd EＤA　desｉgn ｍeｔhod　of　use, caｎ acｃordinｇ　to cｕsｔｏmｅr demand,　desｉgneｄ　to　provide targeteｄ ＶＧA disｐlay cｏntｒolｌer，　don't neeｄ ｔｏ　relｙ on　the　cｏmpｕter,　it ｃan gｒeatｌy rｅduce ｔｈe ｃoｓt， and caｎ satｉsfy the produｃtion　praｃｔice　chanｇing needs,　prodｕcｔ ｕpgrａdｉng aｎd ｃonveｎiｅnｔ quickly。

Keywords:Ｐｒｏgｒammable　logic ｄevices　 VGＡ Ｉmage cｏntrｏller

目 　录
前 言ﻩ5
第1章 VGＡ概述 6
1.１ VGA显示技术的发展概况ﻩ6
1。２ ＶGA显示接口ﻩ7
1．3 ＶGA显示原理ﻩ8
1.４ ＶGＡ时序 10
第2章　 FPGA简介及设计流程1３
2．１ 　FPＧA简介 13
2．2 FPＧA设计流程 14
2．3　 VHDL简介 １6
2。4 Ｑuａrtuｓ ＩI简介ﻩ1７
第3章 设计方案ﻩ1９
3。１ 设计的主要内容ﻩ19
3.2 设计原理ﻩ19
第4章 系统实现21
4．1 VGA显示控制模块ﻩ21
4。2 iｍgｒom（图像数据ROＭ)ﻩ24
4。２．1 图像原理ﻩ２4
4.2.2 　具体实现步骤 25
4.3 　二分频模块ﻩ28
4。4 地址发生器模块ﻩ29
４．5　 顶层设计 29
4。6　　设计结果ﻩ31
第5章 结束语ﻩ33
附 录 35
显示扫描模块代码３5
二分频器模块代码36
地址发生器模块代码37
参考文献ﻩ38

前言
现在社会，以计算机技术为核心的信息技术飞速发展,以及信息的爆炸式增长，人们获得很大一部分的视觉信息是从各种电子显示设备上获得的，为此对电子显示设备的要求也越来越高，在这些因素影响下,显示技术也取得了快速发展。1９8７年IＢM推出了一种高分辨率的视频传输标准即VGA(视频图形阵列）,其具备显示速度快,分辨率高，和丰富的颜色等特点。被广泛应用于彩色显示领域。使用VGA显示控制器的FPGA设计有着高度的灵活性,并能够根据不同类型,规模,和不同的适用场合，尤其是工业产品,做一些特殊的设计，用最低的价格，满足系统的要求，并能解决一般显示控制器本身固有的一些点。
VGA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是将图像数据传输到计算机,并通过显示屏显示出在传输过程中，在图像数据中的芯片需要不断的信号控制，所以造成芯片的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性。采用FPGＡ芯片和EＤＡ设计方法，可根据用户的需求，为设计提供了有针对性的VＧA显示控制器,不需要依靠计算机,它可以大大降低成本，并可以满足生产实践中不断改变的需要，产品的升级换代和方便迅速。

第1章 VGA概述
伴随着市场上液晶显示器的出现,越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端，不过基于VGＡ标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器。如果想要驱动此类显示器，必须得有很高的扫描频率，以及极短的处理时间，综合诸多特点需要，所以选用FPGＡ来实现对VGA显示器的驱动。本次毕业设计即选用FPGA来实现ＶGA的显示.
现在,基于FPGA的设计方案越来越被用于更多的嵌入式系统,在基于FPＧA的大规模嵌入式系统设计中，为了更好的实现VGA显示功能,既能使用专用的VGＡ接口芯ＳPX7１11Ａ等,又可以设计和使用基于FPGA的ＶＧA接口软核,其优点在于能使用VGA专用芯片具有更稳定的ＶＧA时序和更多的显示模式可供选择。此外设计和使用VGA接口软核更具有以下几点优势:
◆　使用芯片更少,节省板上资源，布线难度大大减少.
◆ 当高速数据进行传输时，减少高频噪声干扰。
◆ 采用ＦPGＡ（现场可编程门阵列）设计的VGA接口可以将要显示的数据直接传送到显示器，跳过计算机的处理过程，加快了数据的处理速度,从而有利的节约硬件成本。
◆整体设计费用降低,产品更具有价格优势。现代EＤＡ软件发展迅速,设计、仿真 　 　　 　　　 更容易实现，量化设计中各个环节，使得设计周期日益缩短.
１。1 　ＶGA显示技术的发展概况
ＶGA接口，它是一种被广泛应用的标准显示接口，大多数的显卡和显示器之间，以及二色等离子的电视输入图像模数的转换上使用了VＧA接口。它同样还被用于LCD的液晶显示设备,随着微电子制造工艺的发展，可编程逻辑器件也取得了长久的进步，早期的元器件只可以存储很少的数据,逻辑功能实现更为简单,然而发展至今，其完成的逻辑功能相对复杂,规模更大，速度更快，功耗更低！现阶段可编程逻辑器件主要有两大类,现场可编程逻辑器件(FＰGA）和复杂可编程逻辑器件(CPLD).
FPGA的运行速度快,管脚资源更加丰富,大规模的系统设计的实现相对简单，大量软核可供使用用，有利于二次开发使用，不仅如此，而且ＦPGA具备可重构的能力，抗看等特点。因此，工业控制及其他领域也更加重视使用FPGA,利用FPG完成ＶGA显示控制，可以使图像的显示脱离PC机的控制，形成体积小、功耗低的格式嵌入式系统（便携式设备或手持设备)，应用地面勘测，性能检测等方面，具有重要的现实意义[1]。本设计在FＰGA开发板上使用VＧＡ接口的显示器显示彩条及简单的图形，可以成为整个采集系统的参考设计,实用价值良好.
１．２　 ＶGＡ显示接口
VＧA接口是一种D型接口，上面共有15针孔,分成三排,每排五个。 其中，除了２根NC（Nｏt　Cｏnnect)信号、3根显示数据总线和5个GNＤ信号，比较重要的是3根RGＢ彩色分量信号和2根扫描同步信号HSＹＮＣ和VSYＮＣ针［2］.VＧA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。其排列及接口定义如图1。2－1所示：

图1．2-1 VGA接口图

在基于FPGA的ＶＧA控制中，只需要考虑行场同步信号(Vｓ）、同步信号(Ｈs)、蓝基色(Ｒ）、红基色（B）、绿基色（G）这5个信号.一旦能够从ＦＰGA发出这5个信号到VGA接口，就表示可以实现对ＶGA的控制。
１．3 VＧA显示原理
VGA显示的图像原理：常见之彩色显示器,一般由CRT(即：阴极射线管）构成。彩色则由Ｒ，Ｇ，B(红:ＲＥD,绿：GREEN,蓝：BＬＵE这三基色够成.显示则采取逐行扫描得方式解决,使得从阴极射线枪中发出的电子束得以打在具有荧光粉得荧光屏上，产生Ｒ,G,三基色的彩色像素.扫描随即开始从屏幕的左上方进行,从左到右，从上到下，进行扫描,每扫完了一行，电子束则返回于屏幕左边下面一行的初始位置,在这期间,ＣRＴ把电子束消隐了,每行完成结束时，行同步则采用行同步信号进行,扫描完所有行;场同步则采用场同步信号进行，并使扫描回到屏幕的左上方，同时场消隐进行,准备下一场的扫描.它的行、场扫描时序示意图如图1。3—１所示。现拿正极性分析，说明ＣRＴ的全工作过程:R，G,B呈现正极性的信号，即视为高电平是有效的。当VＳ=O、ＨS=O时，CRT的内容被显示为亮的过程，即是正向扫描的过程大致为26ｓ,当一行被扫描完成后,行同步ＨS＝I,约需6s；其间,ＣRT的扫描会产生消隐,电子束即回到ＣRT的左边的下一行得起始位置（X＝O,Y=Ｉ)，当扫描完成了480行以后，场同步VＳ=Ｉ,场同步的产生使扫描线回到CRT得第一行第一列（X=O，Ｙ＝Ｏ处，大约两个行周期)。Ｈｓ和Vs的时序图。行同步的消隐时间T1(约为６S);行显示的时间Ｔ2（约为26s）;场同步的消隐时间T３(两行周期）;场显示的时间T４(480行周期）［３］。

　图1.3－１ 行、场扫描时序示意图

VGＡ得图形模式可以分成三类：ＣGＡ、EＧA兼容的图形模式,标准的VＧA图形模式及VGＡ扩展图形模式。后两种图形模式统称为VＧA图形模式。本设计基于标准VGA模式来实现.通常我们接触的彩色显示器绝大多数是由CＲＴ（阴极射线管)组成的,每个像素得色彩均由红、绿、蓝三基色组成.采用逐行扫描得方式进行显示。阴极射线管中的电子枪在VGＡ显示模块产生的水平同步信号和垂直同步信号同时控制下产生电子束,使含有荧光粉得屏幕遭到轰击，产生红、绿、蓝三基色,合成一个新的彩色像素点在显示屏上.图1。3—2表示的是VGA显示模块与CＲT显示器的控制框图。

图1.3—2　　VＧA显示模块与CRT显示器的控制框图

屏幕扫描即是电子束扫描一幅屏幕图像上的各个点的过程。当今的显示器都采用光栅扫描这一方式来进行它的屏幕扫描。电子束在光栅扫描下按照固定的路径扫过整个屏幕，在整个扫描中，电子束所通过的每一个点是否显示或已经显示得颜色是通过判断电子束的通断强弱来进行控制的，电子枪在VGA显示模块产生的行同步和场同步等控制信号的作用下能够进行包括水平扫描，水平回扫,垂直扫描和垂直回扫等过程[4］。这种光栅扫描一般具备以下路径：在每一行从上到下并从左到右进行扫描。它具有如下过程：电子束首从屏幕的左上角开始向右扫,当达到屏幕得右边缘时，电子束(水平消隐）被关闭，并迅速回到屏幕的左边缘（水平回扫）。如果所有的水平扫描都以完成，电子束被结束并关闭在屏幕的右下角,随即及时回到屏幕得左上角（垂直回扫）,启动下一次的光栅扫描。硬件进行编程之后,会输出标准VGA信号(红，绿，蓝三色信号和行、帧同步信号），链接15针ＶＧA接口后输出至显示器，方能具备显示驱动程序的能力，驱动显示器显示各种图像信号。板上的VGA接口只需使用其中的五个引脚，其中行、帧同步信号直接由FGPA输出；红、绿、蓝三色信号使用FＰＧA上８个引脚,8位数据，其中红色两位,绿色及蓝色各三位，通过电阻网络D/A变换后在显示器显示输出值，ＤA转换器在这个电阻网络上被模拟,输入信号的电压被分成几段。这样执行的原因，一方面是由于显示24位真彩色很少在实际应用被用到。此外考虑节约成本得想法,由于要用到专用DA转换器，成本必会增加。硬件电路如下图1.3—3所示：

图1。3－3 VGA接口与FPGＡ的硬件电路图
１．4 ＶGA时序
VGA图像显示控制的设计需要注意两个问题：其中之一便是是时序的驱动，此乃完成设计的关键，时序若有不同,便不正常显示,甚者会损害彩色显示器；最后是VGA信号的电平驱动。
针对开发板的条件,若想得到２５MHz的像素频率输出，则必须采用50MHｚ的系统时钟进行分频。FPGA通过串联电阻直接驱动5个ＶGA信号。每个颜色信号串一个电阻,每位的颜色信号分别是VGA_ＲED，VGA＿BＬUE，ＶＧＡ_GRＥEN。每个电阻与终端的75欧电缆电阻相结合，保证颜色信号维持在VGA规定的0V~０。7V之间。VＧA＿HＳＹNC和VＧA_VSＹNC信号使用LVTTＬ或ＬVCMOS3I/O标准驱动电平.通过VＧA_RED、VＧＡ_BLUE、VGA＿ＧREEＮ置高或低来产生8中颜色,如表1.4-1所示：

表１.4-1 颜色对照
VGＡ_REＤ
VGＡ_GREEN
VGA_BLＵE
Resｕlｔiｎg ｃoｌor
０
０
0
Bｌａｃk
０
0
１
Blｕe
０
１
0
Grｅen
0
1
1
Cyan
1
0
０
Reｄ
1
0
1
Ｍagｅｎtａ
１
1
０
Yellow
1
1
1
Ｗhiｔe

VGＡ信号的时序由视频电气标准委员会（VESA）规定。以下提供的VＧＡ系统和时序信息作为例子来说明FPGA在６40×４８０模式下是如何驱动VGA监视器的.
VGA显示器基于CRT，使用调幅模式,移动电子束（或阴极射线)在荧光屏上显示信息。LCD使用矩阵开关给液晶加压,在每个像素点上通过液晶来改变光的介电常数。尽管下面的描述仅限于ＣRT，ＬCD已经发展到可以同CＲT使用同样的时序信号了。因此，下面的讨论均适合ＣRT和LCD。在CRT显示器中,电流的波形通过蹄形磁铁产生磁场，使得电子束偏转,光栅在显示屏上横向显示,水平方向从左至右,垂直方向从上至下。当电子束向正方向移动时，信息才显示，即从左至右、从上至下。如果电子束从后返回左或顶边，显示屏并不显示任何信息。在消隐周期——电子束重新分配和稳定于新的水平或垂直位时，丢失了许多信息。显示协议定义了电子束的大小以及通过显示屏的频率，该频率是可调的。现在的VGＡ显示屏支持多种显示协议，VGA控制器通过协议产生时序信号来控制光栅。控制器产生同步脉冲TTL电平来设置电流通过偏转磁铁的频率,以确保像素或视频数据在适当的时间送给电子枪。
视频数据一般来自重复显示存储器中一个或多个字节——它们被分配到每个像素单元.入门实验板使用每个像素中的3位,产生图8中可能的一种颜色。控制器指定视频数据缓冲器以备电子束通过显示屏.然后，控制器接收并利用视频数据在适当的时间显示,电子束移动到指定的像素点。
ＶGA控制器产生水平同步时序信号(HＳ）和垂直同步时序信号（VS），调节在每个像素时钟视频数据的传送。像素时钟定义了显示像素信息的有效时间段。VＳ信号定义显示的更新频率,或刷新屏幕信息的频率。最小的刷新频率是取决于显示器的亮度和电子束的强度,实际频率一般在６0～１２０Hz之间.给定的刷新频率的水平线的数量定义了水平折回频率.
下表1。4-２的时序信号是640×４80，像素时钟２5Mhz，刷新频率60Ｈz±１.图1.4-2说明了每个时序的联系.

表１．4－2 640X4８0时序信号
Symbol
Paｒａmeter
Veｒtｉcal Ｓyｎｃ
Horizontaｌ Sync
Time
Clocks
Liens
Ｔime
Clｏｃks
TS
Sync pulｓe　tiｍｅ
16.7ms
4168，８00
52１
3２μs
800
TDＩSＰ
Ｄispｌay tiｍe
15。36mｓ
384，0０0
480
2５。6μs
640
TPW
Pｕlse widtｈ
６4μs
１,600
2
3.８4μｓ
96
ＴＦP
Frｏnt　pｏｒch
320μs
8，0０0
1０
6４0
1６
TＢP
Back　Poｒｃh
9２8μｓ
23,200
2９
１.9２μs
48

图１.4—2 　各时序之间的联系

第２章 　FPGA简介及设计流程
2.1 ＦPＧA简介
目前以硬件描述语言(Ｖerｉloｇ或ＶHＤＬ）所完成的电路设计，经过简单的综合与布局,可以很快的烧录到FPGＡ上进行测试，是现代IC设计验证的主流技术。这些可编辑的元件可以用来获得一些基本的逻辑门电路（如，AND，XOＲ，NOT）,或更复杂的组合功能,如解码器或数学方程。在大部分的ＦPGA内,这些可以编辑部件包括记忆元件，如触发器（Ｆliｐ—ｆlop）或其他更完整的记忆块。系统设计者可以根据需要,通过编辑的逻辑连接FPGA内部链接,就像一个电路测试板是放在一个芯片.他们离开后成品砖和FＰGＡ逻辑连接可以改变根据设计师的设计，可以完成需要的ＦPＧA逻辑功能。FPGＡ在总体来说比ＡSIC（专用集成芯片)速度将会放缓，无法完成复杂的设计,消耗更多的能量.但是他们也有许多优势,例如可以很快的成品,可以修改,以纠正错误的程序和便宜的成本。FPＧA是在PAL(Pｒograｍｍable Arraｙ Log2iｃ），ＧAL(Geｎeric　PAL）等基础上发展起来,是一种具有丰富的可编程Ｉ／O引脚、逻辑宏单元、门电路以及ＲAM 空间的可编程逻辑器件,大概所有应用了门阵列、ＰLＤ与中小规模通用数字集成电路的场合均可应用ＦPGＡ　和ＣＰLD器件。CＰLD得设计基于E2CMOS工艺,它的基本逻辑单元则是由一些与、或阵列外加触发器构成的,但FＰGA则选择ＳRAＭ工艺进行设计，基本逻辑单元依据查找表而进行设计.查找表（Loｏk—Uｐ-Taｂlｅ）即LUＴ,LUT实际上是个RAM，使输入信号的各种组合功能得以一定的次序写入RAM中，然后特定的函数运算结果被输出于输入信号的作用下.目前FPGA中多使用4输入的ＬＵＴ，为此每一个ＬUＴ都被看成一个有4位地址线的16×1的ＲＡＭ。一旦用户采用原理图或ＨＤL语言描述一个逻辑电路时,逻辑电路的所有可能出现的结果都可被FPGA开发软件自动计算出，并且会把结果事先写入ＲＡＭ,为此，每当输入一个信号进行了逻辑运算也就同等于输入一个地址进行查表，找到地址相对应得内容，然后输出便可以。表2.1—１是一个4输入与门得例子.

表2.１-1　 4输入与门对应的查找表
实际逻辑电路
LＵT得实现方式
ａ,ｂ，c，d,输入
逻辑输出
地址
ＲAM中存储的内容
０000
0
0000
0
0０0１
0
0001
０
……
0
……
０
１111
１
1111
１

因为进行静态存储器ＬUT是主要生产过程，截止目前，绝大多数的FＰGＡ是基于静态存储器的过程，在这个过程中静态存储器芯片电源开启和关闭后信息将被丢失，必须需要额外的一个特殊的配置芯片,在通电的时候，通过特殊的配置芯片把数据加载在ＦPGA，然后FPGA能够正常工作,由于配置一个很短的一段时间里，不会影响到系统正常工作。
２．2　 ＦＰGA设计流程
一般来讲，　FPGＡ的完整设计过程，包括