课程设计-基于fpga的vga图形显示大学论文.doc

电子信息工程专业综合设计（报告）（课 程 设 计）题目 基于FPGA的VGA图形显示 二级学院 电气与电子工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 学生姓名 学号 同组姓名 指导教师 时 间 1基于FPGA的VGA图形显示摘要：本次的题目是基于FPGA的VGA图形显示，实现VGA图像显示与控制。本文介绍的主要内容围绕着显示特定图片，且图片可受控制的相关原理与方法展开。根据VGA显示原理，利用VHDL作为逻辑描述手段，设计了一种基于现场可编程器件FPGA的VGA接口控制器。实现VGA图像显示控制器是通过Altera公司的QuartusII软件环境下对VGA模块的设计和顶层逻辑框图设计。FPGA的嵌入式系统中能代替VGA的专用显示芯片，节约硬件成本，节省计算机处理时间，加快数据处理速度并具有显示面积大，色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点。除此以外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，可不需要依靠计算机，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。关键字：FPGA VGA 图像控制器一、 前言 本次课程设计主要是通过Altera公司的QuartusII软件环境下对VGA模块的设计和顶层逻辑框图设计。VGA是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。在性能上，VGA将16色模式的分辨率提高到了640480，同时VGA新提供了一种具有320200分辨率、256种颜色的图形模式，且所显示的每一种颜色都可从262144(18位)种颜色中选择，VGA的这种色彩显示能力对微机图形/图象软件的发展起到了很大的促进作用先后分别经历了EGA, EGA, VGA, SVGA, XGA, SXGA, UXGA, QXGA, WQXGA, QSXGA, WQSXGA, QUXGA, WQUXGA, 1080P。 目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R，G，B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过D/A和A/D2次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。 Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware 支持Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA历史已经经历了十几年的发展历史。FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，是FPGA成为首选。自发明PFGA以来，就不断的推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。主要推出了Virex系列和SparanTM系列的FPGA，Vriex系列突破了传统FPGA密度和性能限制，使FPGA不仅仅是逻辑模块，而成为一种系统元件。而Spartan系列为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低成本标准。二、 方案设计及工作原理（一） 设计方案 此设计要实现某一分辨率下（如640*48060Hz）的VGA显示驱动。利用VHDL硬件描述语言对每个功能模块进行描述，并逐一对每个功能模块进行编译仿真，使顶层VGA显示控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。使用的为百科融创实验箱（Cyclone III EP3C16Q240C8）要用到44键盘、VGA显示控制、ROM等模块。本次课程设计的实现功能如下：1. 在白色背景下显示“重庆理工大学”的彩色字体并且可以每间隔3秒变换字体颜色；2. 显示设计者的学号与姓名； 3.显示四张128*128像素大小的彩色图片，通过实验箱上的4x4键盘控制可以选择不同的图片显示，且图像可以在屏幕上移动。按键A：选择第一幅图片,按键B：选择第二幅图片，按键C：选择第三幅图片，按键D：选择第四幅图片，按键2：增大垂直移动速度，按键8：减小垂直移动速度，按键4：增大水平移动速度，按键6：减小水平移动速度，按键*：暂停/移动。（水平和垂直方向每帧分别移动“H_Step”点和“V_Step”点），通过键盘改变“H_Step”和“V_Step”的值即可改变其移动速度和方向。图像碰到屏幕边沿会反弹回去。 （二）工作原理（1） VGA显示图像 常见的彩色显示器，一般由CRT（阴极射线管）构成。彩色是有R,G.B（红：RED，绿：GREEN,蓝：BLUE）三基色组成。显示是用逐行扫描的方式解决，阴极射线枪发出电子束打在涂有银光粉的荧光屏幕上，产生R,G,B三基色，合成一个彩色像素7-8。扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下，进行扫描，每扫完一行，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，用行同步信号进行同步，扫描完所有行，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方，同时进行场消隐，预备下一场的扫描。VGA接口是一种D型接口，上面共有15针空，分成三排，每排五个。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。有些不带VGA接口而带有DVI(Digital Visual Interface数字视频接口）接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠这样的转接头（2） FPGA（Filed Programmable Gate Array） FPGA现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半订制电路而出现的，既解决了订制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的工作机理基于查找（Look-Up-Table，LUT），LUT其实就是一个RAM。目前很多FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线、大小位161的RAM、当用户通过HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA的开发软件会自动计算逻辑电路所有可能的结果，并事先把计算好的结果记入RAM中。这样，每当有信号输入需要进行逻辑运算时，不必再用门去搭电路了，只要把输入作为一个地址进行查表，找出对应地址所存储的内容，然后输出即可。对于一个LUT无法完成的电路，则需要通过进行逻辑信号将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑了。 （3）VHDL语言 Verilog HDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言Verilog HDL可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。Verilog HDL适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述Verilog HDL进行设计最大的优点是其工艺无关性这使得工程师在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需根据系统设计的要求施加不同的约束条件，即可设计出实际电路Verilog HDL是一种硬件描述语言(hardware description language)，为了制作数字电路而用来描述FPGA的设计之用17。 显示控制器是一个较大的数字系统，采用模块化设计原则、借鉴自顶向下的程序设计思想，进行功能分离并按层次设计。利用Verilog硬件描述语言对每个功能模块进行描述，并逐一对每个功能模块进行编译仿真，使顶层VGA显示控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过18。VGA显示控制器主要由以下模块组成：分频模块、VGA时序控制器模块、彩条图形生成模块、VGA显示模块、存储模块等，如下图2.1所示。HS，VSRBGVGA接口D/A显示器 VGA时序 控制 ROM读取 控制二分频EEPROMADDRDATACLK50MHz（图2.1）三、 各功能模块设计和仿真 图3.1为整个设计的顶层电路，主要由“imagController”模块、VGA模块、“Keyboard_Manage”模块、“Read_Keyboard”模块、“div_24000”模块、“PLL”模块、“SEL_ROM”模块、6个四个ROM模块、“digital”模块。 （图3.1）（一） 、 时钟信号类 （1）“div_24000”模块：用于将24MHz时钟分频输出1KHz用于键盘扫描。 （2）“PLL”模块：锁相环用于将24MHz时钟信号变频为25MHz。 （3）“digital”模块： 计时功能，实现“imagController”模块里的“重庆理工大学”字样间隔3秒变色。sec_1为计时秒数的个位数， sec_10为计时秒数的十位数，将其传入到“imagController”模块中，实现文字的变色。（二） 、ROM模块 ROM模块使用宏功能模块实现。对于可移动的图片，先选择所需要的图片，裁剪成128*128大小的，使用“BmpToMif”软件生成对应的“mif”文件，存入工程所在的文件夹。并设置其内存初始化文件分别为“hua01.mif”、“hua02.mif” 、“hua03.mif” 、“hua04.mif”，根据图片的大小选择ROM的位数与存储大小。在显示“重庆理工大学”字样时，先使用字模工具对图片进行转换，将其数据存入一个ROM模块中。使用同样的方式将含名字学号的图片模块化。ROM模块用于存储图片信息。将其数据线与地址线输入“imagController”模块中，实现图像数据的传输。（三） 、控制部分（1） “Read_Keyboard”模块读入4*4键盘的数据，根据按键情况输出不同的数据。（2） “Keyboard_Manage”模块用于接收键盘输入，根据键盘输入设置图像显示及移动参数。（3） “SEL_ROM”模块用于选通四个图像ROM，即根据SEL1.0的值，从Q1Q4中选择一个输出到ROM_DATA端口。（四）、“imagController”模块此模块为一个核心图片控制部分，包含有对图片的各类处理，使其到达不同的显示效果。 端口VS、hcnt、vcnt是“VGA”模块的输出，用于确定扫描点位置；H_Step、V_Step、Pause端口由“Keyboard_Manage” 模块输出，用于设置图像块移动的速度和方向；ROM_DATA是来自于4个存储128*128大小图片的ROM模块中的图像数据。ROM_DATA1是来自于存储“重庆理工大学”字样的ROM模块的图像数据。ROM_DATA1是来自学号名字的图像数据。sec_1为计时秒数的个位数， sec_10为计时秒数的十位数，计时，实现文字的变色。（1） 多张图片的显示需要在屏幕上同时显示出3张图片，如在显示128*128大小的图片，设定显示图片的大小。if (imag_X+128hcnt and hcnt=imag_X and imag_Y+128vcnt and vcnt=imag_Y) then-扫描到图像块内imag_RGB=ROM_DATA;（2）图片的移动按键A：选择第一幅图片，按键B：选择第二幅图片，按键C：选择第三幅图片，按键D：选择第四幅图片，按键2：增大垂直移动速度，按键8：减小垂直移动速度，按键4：增大水平移动速度，按键6：减小水平移动速度，按键*：暂停/移动。（水平和垂直方向每帧分别移动“H_Step”点和“V_Step”点），通过键盘改变“H_Step”和“V_Step”的值即可改变其移动速度和方向。图像碰到屏幕边沿会反弹回去。 实现程序如下：（3） 文字的变色在对含“重庆理工大学”字样的图片进行mif格式转化的时候，设置为黑白图片，用0表示黑色，即有字显示的地方。选择出屏幕显示文字的位置，“digital”模块开始计时，当秒的十位数字为0，个位数为3时(sec1_1=3 and sec10_10=0)即表示3秒，将原来的黑色字体变为红色。于是随着计时器的计时，秒数在一直变化，就实现了字体颜色的间隔3秒改变一次并以60秒为一次循环。具体程序段如下：（五） VGA模块 将“imagController”模块处理的数据通过imag_rgb2.0端口输入外部电路当前颜色值；hcnt和vcnt端口的作用为将屏幕行列位置输出，由外部电路计算当前颜色值，根据行列位置确定扫描点的颜色使其显示在640*480的屏幕上，达到预期效果。四、 结果分析与调试 在完成各部分的程序编写后，将其模块化在底层设计图中按照设计方案连接，之后进行编译无误后对各管角进行绑定。（一） 运行的方式与结果 完成管脚绑定后，运行程序，运行的效果图（4.1）： 在白色的背景下显示有128*128大小的图片，“重庆理工大学”的字样和含有学号与名字的图片，“重庆理工大学”的字样将随着时间3秒变化一次颜色。图（4.1） 当按下按键A时在128*128大小的区域内显示第一幅图片，按下按键B时切换到第二幅图片，按下按键C时切换第三幅图片，按下按键D切换到第四幅图片。 当按下按键2，图片开始上下移动，按下多次增大垂直移动速度，按下按键8则减小垂直移动速度；按下按键4，图片在上下移动的基础上开始左右移动，按下多次则增大水平移动速度，按下按键6则减小水平移动速度；按下按键*图片暂停移动，再按一次则恢复移动。（二） 调试及问题解决 在调试时出现的问题：（1） 想要在屏幕上同时显示多张图片 希望在移动图片的背景上添加上“重庆理工大学”的字样与姓名和学号，通过在原有基础上增加2个ROM存放这2张图片的数据，然后在“imagController”模块上多定义2个地址线端口和数据线端口再在其中添加语句，编译完成后运行程序就可以在一个屏幕上显示3张图片了。（2） “重庆理工大学”字样不能完整显示在指定的区域内，出现字的重叠。 调试多次后，发现问题出现在实现根据扫描行列计算图像ROM地址功能的程序段中 通过更改TEMP_Y1和TEMP_X1所减的数据值来调整“重庆理工大学”字样的位置，多次更改直到最合适为止。（3） 使“重庆理工大学”字样每间隔3秒换一次颜色 通过添加一个计时器的模块，将其秒的数据接入到“imagController”模块上去，添加程序如下，实现字体变色功能。五、心得体会经过三周的时间，从最初的题目选定到每天的程序完善到最后得到理想的运行效果，完成了基于FPGA的VGA图形显示的课程设计。 经过这次课程设计，我感到受益匪浅，对自己各方面的提高都有着巨大的帮助。比如Quartus II的使用，虽然在以前的实验课程中有学习与使用过，但当时都是在老师一步一步的演示下直接使用现有程序进行的，所以缺少对其更深刻与熟练的使用。本次课程设计是在QuartusII软件环境下对VGA模块的设计和顶层逻辑框图设，这让我经过这次课程设计让我对Quartus II软件的使用更加深入与熟练。除此以外还有对FPGA的嵌入式系统的优点与特性有新的认识，FPGA的嵌入式系统中能代替VGA的专用显示芯片，节约硬件成本，节省计算机处理时间，加快数据处理速度并具有显示面积大，色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点。除此以外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，可不需要依靠计算机，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。 在这次课程设计的过程中，在一开始选择课题的过程中就存在着困难，我并不清楚哪种题目更加适合我，于是就在图书馆和网络上查找资料，题目经过了多次修改才最终确定下来。在做课程设计的途中也遇到了一样阻碍，比如一开始不知从何下手，比如忘记了Quartus II的一些使用方法和利用VHDL作为逻辑描述手段，设计了一种基于现场可编程器件FPGA的VGA接口控制器等。在通过结合图书资料下，在老师的悉心指导下，在和同学的讨论中，每一天给自己定个目标，最终完成了，达到了预期的效果。当看到普通的图片经过自己的处理后变的多姿多彩，我们的内心是开心愉快的。 总的来说，这次课程设计让我进一步了解了FPGA的嵌入式系统的相关知识，发现它多种多样的运用，与我们的日常生活息息相关。 经过这次课程设计，我感到受益匪浅，对自己各方面的提高都有着巨大的帮助，给以后的学习与工作奠定了良好的基础。六、参考文献1 刘福奇主编. FPGA嵌入式项目开发实战M. 北京：电子工业出版社，2009.42 潘松，黄继业，潘明主编. EDA技术实用教程Verilog HDL版M. 北京：科学出版社，2008.113纪志成，高春能主编. FPGA数字信号处理设计教程System Generater入门与提高M. 西安：西安电子科技大学出版社，2008.44 田耕，徐文波编著. FPGA 数字电子系统设计与开发实例导航M. 北京：电子工业出版社，2005.65 刘韬，楼兴华主编. FPGA 数字电子系统设计与开发实例导航M. 北京：人民邮电出版社，2005.66 徐志军，徐光晖编著. CPLD/FPGA的开发与应用M. 北京：电子工业出版社，2012.17 姜立东等编著. Verilog语言程序设计及应用M. 北京：北京邮电大学出版社，2009.68 褚振勇，翁木云编著. FPGA设计及应用M. 西安：西安电子科技大学出版社，2007.7 9 张文爱：基于FPGA的VGA显示控制器的设计，电子工业出版社，2006.9 10 王 亮：VGA汉字显示的FPGA 设计与实现，南方工业出版社，2009.2七 、附录 “imagController”模块LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY imagController ISPORT(VS : IN STD_LOGIC;-行同步信号hcnt : IN STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);-扫描到的列数vcnt : IN STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);-扫描到的行数ROM_DATA : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);ROM_DATA1 : IN STD_LOGIC; ROM_DATA2 : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); sec1_1,sec10_10 : in integer range 0 to 9; H_Step,V_Step: inSTD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);-水平、竖直移动点数 pause : in std_logic;-暂停ROM_ADDR : OUT STD_LOGIC_VECTOR(13 downto 0);-图像ROM地址ROM_ADDR1 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);-图像ROM地址ROM_ADDR2 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(14 downto 0);-图像ROM地址imag_RGB : OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0)-当前行、列位置的显示值（可能是图像、也可能是背景“000”）; );END imagController;ARCHITECTURE imagController_architecture OF imagController IS signal movedown,moveright : STD_LOGIC;-为0表示向下（向右），为1表示向上（向左） constant imag_width : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) :=10000000;-图像宽度128; constant imag_height : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) :=10000000;-图像高度128; signal imag_X,imag_Y : STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);-图像在屏幕上左上角坐标 signal TEMP_Y,TEMP_X : STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);-临时存储vcnt-imag_Y、hcnt-imag_X，并扩展到10位 signal TEMP_Y1,TEMP_X1 :integer range 0 to 400;-STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0); signal TEMP_Y2,TEMP_X2 :integer range 0 to 200;-STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);BEGIN-根据扫描行列计算图像ROM TEMP_Y2=conv_integer(vcnt);TEMP_X2=conv_integer(hcnt); ROM_ADDR2=conv_std_logic_vector(TEMP_Y2-120)*200+(TEMP_X2-200),15); TEMP_Y1=conv_integer(vcnt);TEMP_X1=conv_integer(hcnt); ROM_ADDR1=conv_std_logic_vector(TEMP_Y1-40)*400+(TEMP_X1-112),16); TEMP_Y=vcnt-imag_Y;TEMP_X=hcnt-imag_X; ROM_ADDRhcnt and hcnt=imag_X and imag_Y+128vcnt and vcnt=imag_Y) then-扫描到图像块内imag_RGB=hcnt and hcnt=120 and 189=vcnt and vcnt=40) then if (sec1_1=3 and sec10_10=0) then if ROM_DATA1=0 then imag_RGB=100; else imag_RGB=111; end if; elsif (sec1_1=6 and sec10_10=0) then if ROM_DATA1=0 then imag_RGB=010; else imag_RGB=111; end if; elsif (sec1_1=9 and sec10_10=0) then if ROM_DATA1=0 then imag_RGB=001; else imag_RGB=111; end if; elsif (sec1_1=2 and sec10_10=1) then if ROM_DATA1=0 then imag_RGB=011; else imag_RGB=111; end if; . elsif (sec1_1=9 and sec10_10=5) then if ROM_DATA1=0 then imag_RGB=011; else imag_RGB=hcnt and hcnt=0 and 475=vcnt and vcnt=380) thenif ROM_DATA2=000 thenimag_RGB=010;elseimag_RGB=111;end if;elseimag_RGB=111;end if;end if;end if; End process;PROCESS(VS)beginif (VSEVENT AND VS= 1) then -以帧同步信号作为工作时钟if(pause=1)thenif(movedown=0)then-图像块下移if(imag_Y + imag_height = 0111100000)then-刚好移到下边沿,imag_Y + imag_height = 480movedown=1; -移动方向改为向上imag_Y 0111100000)then-超过下边沿,imag_Y + imag_height 480imag_Y=0111100000 - imag_height;-移动到下边沿elseimag_Y=imag_Y + V_Step; -向下移动“V_Step”个点end if;ELSE-图像块上移if(imag_Y = 0000000000)then-刚好移到上边沿,imag_Y = 0 movedown=0;-移动方向改为向下 imag_Y=000000&V_Step;-向下移动“V_Step”个点elsif(imag_Y V_Step)then-超过上边沿imag_Y=0000000000;-移动到上边沿elseimag_Y=imag_Y - V_Step;end if;end if;if(moveright=0)then-图像块右移if(imag_X + imag_width = 1010000000)then-刚好移到右边沿 moveright=1;-移动方向改为向左 imag_X 1010000000)then-超过右边沿imag_X=1010000000 - imag_width;-移动到右边沿elseimag_X=imag_X+ H_Step;-向右移动“H_Step”个点end if;ELSE-图像块左移if(imag_X = 0000000000)then-刚好移到左边沿 moveright=0;-移动方向改为向右 imag_X=000000&H_Step;-向右移动“H_Step”个点elsif(imag_X H_Step)then-超过左边沿 imag_X=0000000000;-移动到左边沿elseimag_X=imag_X - H_Step; end if;end if;end if;end if; End process;END imagController_architecture;“Keyboard_Manage”模块LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY Keyboard_Manage ISPORT(clk : IN STD_LOGIC;Key : IN STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);-按键值KEY_State : IN STD_LOGIC;-按键指示H_Step,V_Step : buffer STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);-水平（垂直）移动点数Pause : buffer STD_LOGIC;-0暂停（1移动）SEL : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0)-四个图像ROM选通信号);END Keyboard_Manage;ARCHITECTURE Keyboard_Manage_architecture OF Keyboard_Manage IS signal LAST_KEY_State : std_logic; -上一刻的按键状态BEGINprocess(clk)beginif rising_edge(clk) thenLAST_KEY_State-按键“2”，增大垂直移动速度V_Stepif(V_Step 15)then V_Step-按键“8”，减小垂直移动速度V_Step if(V_Step 0)then V_Step-按键“6”，增大水平移动速度H_Stepif(H_Step 15)then H_Step-按键“4”，减小水平移动速度H_Stepif(H_Step 0)then H_Step-按键“*”，暂停（继续）,Pause取反 pause=0; pause-按键“#”，恢复设置 pause=0; V_Step0);