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VGA(視頻圖形陣列Video Graphics Array)是IBM在1987年隨PS/2機一起推出的一種視頻傳輸標準，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。 目前 VGA技術的應用還主要基于 VGA顯示卡的，而在一些既要求顯示彩色高分辨率圖像又不使用計算機的設備上，VGA技術的應用卻很少。本文對基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示的實現方法進行了研究。 基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統，可以在不使用 VGA顯示卡的情況下實現 VGA圖像的顯示和控制。該系統具有成本低、結構簡單、應用靈活的優點。 1 基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統簡介 通用 VGA顯示卡系統主要由控制電路、顯示緩存區和視頻 BIOS程序三個部分組成。其控制電路主要完成時序發生、顯示緩沖區數據操作等功能;顯示緩沖區提供顯示數據緩存空間;視頻BIOS作為控制程序固化在顯示卡的 ROM中。在基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統的設計中，可以使用很少的資源，就產生 VGA各種控制信號，達到顯示彩色高分辨率圖像的要求，而不需用 VGA顯示卡和計算機設備。圖 1是基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA顯示系統的結構框圖，圖中FPGA采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672C這款 FPGA.Cyclone II器件采用 90nm、低 K值電介質工藝，通過使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復雜的數字系統。EP2C35F672C該芯片提供了 33216個邏輯單元 ,包括了嵌入式 18*18位乘法器、專用外部存儲器接口電路、 4KB嵌入式存儲器件、4個鎖相環和高速差分 I/O等功能。該芯片的工作頻率和引腳 IO等資源都能很好的滿足本系統的要求。FPGA的工作時鐘為 54MHz。 VGA接口芯片采用了 ADV7125，該芯片是美國 ADI公司生產的高速視頻數模轉換芯片，其像素掃描時鐘頻率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz四個等級。ADV7125在單芯片上整合了三組 8位高速 D/A轉換器，可以分別處理紅、綠、藍視頻數據，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速 D/A轉換的應用系統。 ADV7125的輸入及控制信號非常簡單：3組 8位的數字視頻數據輸入端，分別對應 RGB視頻數據，數據輸入端采用標準 TTL電平接口;4條視頻控制信號線包括復合同步信號 SYNC、消隱信號 BLANK、白電平參考信號 REF WHITE和像素時鐘信號 CLOCK;外接一個 1.23 V數模轉換參考電壓源和 1個輸出滿度調節。只有 4條輸出信號線：模擬 RGB信號采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅動 75Ω同軸傳輸線。 圖1 基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA顯示系統框圖 2 模塊劃分與模塊功能定義 FPGA中包含了四個工作模塊： VGA時序發生器模塊、VGA圖像顯示調色板模塊、數據存儲器和數據讀寫控制器。由于 ADV7125內部沒有顏色的轉換器 ,所以當數據存儲器中的數據為 YUV信號時，就要把 YUV信號轉換成 RGB信號,這一功能就是由 VGA圖像顯示調色板模塊完成的，當顯示數據為 RGB信號時，數據可以直接傳輸到 ADV7125，不需調色板進行顏色轉換。數據存儲器和數據讀寫控制器解決了顯示數據的來源和數據的存儲。用 FPGA對圖像進行存儲和整理，并產生驅動電路需要的各種控制波形由視頻控制器對顏色緩沖器進行掃描，其中視頻控制器可以讀取像素顏色，用這些顏色來控制輸出設備的亮度。 VGA時序發生器模塊產生顯示器所需的時序，這是完成設計的關鍵，時序稍有偏差，顯示必然不正常，甚至會損壞彩色顯示器。 3 VGA時序分析 顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在 CRT(陰極射線管)屏幕上從左到右(受水平同步信號 HSYNC控制)、從上到下(受垂直同步信號 VSYNC控制)做有規律的移動。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描指電子束在掃描時每隔一行掃一線，完成一屏后再返回來掃描剩下的線，與電視機的原理一樣。隔行掃描的顯示器掃描閃爍的比較厲害，會讓使用者的眼睛疲勞。目前微機所用顯示器幾乎都是逐行掃描。逐行掃描是指掃描從屏幕左上角一點開始，從左向右逐點進行掃描，每掃描完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對電子束進行消隱，每行結束時，用行同步信號進行行同步;當掃描完所有行，形成一幀時，用場同步信號進行場同步，并使掃描回到屏幕的左上方，同時進行行場消隱，開始下一幀的掃描。 完成一行掃描所需時間稱為水平掃描時間，其倒數稱為行頻率;完成一幀(整屏)掃描所需的時間稱為垂直掃描時間，其倒數為垂直掃描頻率，又稱刷新頻率，即刷新一屏的頻率。常見的有 60Hz、75Hz等。 圖2 VGA的行時序 圖3 VGA的場時序 VGA 顯示器要正確顯示圖像關鍵還是如何實現 VGA時序。視頻電子標準協會( VESA, Video Electronics Standards Association)對顯示器時序進行了規范。 VGA的標準參考顯示時序如圖 2、圖 3所示。行時序和場時序都需要產生同步脈沖(Sync a)、顯示后沿 (Back porch b)、顯示時序段(Display interval c)和顯示前沿 (Front porch d)四個部分。 VGA工業標準顯示模式要求：行同步、場同步都為負極性，即同步頭脈沖要求是負脈沖。 VGA的行時序如圖 2所示：每一行都有一個負極性行同步脈沖( Sync a)，是數據行的結束標志，同時也是下一行的開始標志。在同步脈沖之后為顯示后沿 (Back porch b)，在顯示時序段(Display interval c)顯示器為亮的過程，RGB數據驅動一行上的每一個象素點，從而顯示一行。在一行的最后為顯示后沿(Back porch b)。在顯示時序段( Display interval c)之外沒有圖像投射到屏幕時插入消隱信號。同步脈沖(Sync a)、顯示后沿(Back porch b)和顯示前沿(Front porch d)都是在行消隱間隔內( Horizontal Blanking Interval)，當行消隱有效時， RGB 信號無效，屏幕不顯示數據。 VGA的場時序與 VGA的行時序基本一樣，如圖 3所示，每一幀的負極性幀同步脈沖(Sync a)是一幀的結束標志，同時也是下一幀的開始標志。而顯示數據是一幀的所有行數據。 表 1：VGA行時序說明 表 2：VGA場時序說明 幾種常用的時序參數如表 1和表2 所示，首先，根據顯示器的性能選擇一種合適的VGA模式，然后由象素時鐘頻率和圖像分辨率計算出行總周期數，再把表 1和表 2中給出的 a、 b、c、d各時序段的時間按照象素計數脈沖源頻率折算成時鐘周期數。在 FPGA/CPLD中用計數器和觸發器，以計算出的各時序段時鐘周期數為基準，產生不同寬度和周期的脈沖信號，再利用它們的邏輯組合構成圖 2和圖 3中的 a、b、c、d各時序段以及 ADV7125的空白信號 BLANK和同步信號 SYNC。 一個示例就是 60Hz時 1280×1024分辨率顯示的 VESA標準，在 60Hz時，屏幕每16.67毫秒更新一次。這個標準制定了幀大小，用它來定義分辨率和回掃次數之間的關系。對于分辨率大小為 1280×1024來說，幀的大小為 1688×1066，這個大小與像素時鐘(Pixel Clock)有關，所謂像素時鐘就是對像素的刷新頻率。像素時鐘為 1688×1066×60Hz 或者 108 兆 Hz(MHz)時，每個像素的刷新頻率也就是大約 9.26納秒，那么行頻就為 60×1066=63960 行/秒，也就是用顯示器的幀率乘以掃描線數量。可以用幀大小得到縱向回掃次數，為了得到縱向同步長度(Sync Length)，可以從縱向幀大小減去縱向分辨率，也就是 1066-1024=42。這樣，縱向回掃花費的時間和在屏幕上繪出 42 條線的時間相同，對于縱向回掃來說需要的時間為 42×1688×9.26 納秒(656 微秒)。 在顯示時序段( Display interval c)，數據讀寫控制器從數據緩存區讀取像素顏色，用這些顏色來控制輸出設備(顯示器)的亮度。一幀圖像就準確的顯示到 VGA顯示器上。 4、 VGA顯示器在雷達圖像顯示中的應用 最初,雷達顯示器到重要作用,在于使雷達接收機到數據以一種可視的形式表現出來。操作員可以輕易而精確地檢測目標的出現,提取目標的位置信息。隨著數字信號處理和數字數據處理的進步,越來越多的檢測和信息提取過用電子方法自動完成,因此操作員的任務越來越少。現在雷達顯示器更像電視監視器或計算機顯示器,可以顯示完整的連續場景。 雷達獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標方式,所以早期船用雷達顯示器是一種平面位置顯示器,用極坐標表示,采用徑向圓掃描方式,在這種掃描方式中,熒光屏上掃描線線徑向掃描的數率取決于量程的大小。掃描線選轉的速度取決于天線的轉速。物標回波的亮度取決于回波視頻的信號的幅度。物標回波及各種符號視頻在屏上只能是天線每轉一圈才能亮一下,在整個平面上亮度不均,且量程小,回波亮度越低,容易丟失小目標。精確保存物標距離信息非常勉強。目標分辨力差,在屏上畫其他符號十分麻煩、困難,且符號量有限。 隨著VGA顯示器廣泛應用,VGA顯示器也開始應用在雷達顯示上,但VGA顯示起的掃描方式是從左到右到掃描和從上到下的幀掃,屬于直角坐標的方式,而雷達獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標方式,所以要實現雷達數據的 VGA顯示首先要將雷達的極坐標信息轉換成直角坐標信息存入存儲器,再以直角掃描的方式從存儲器中讀出并顯示出來。 VGA顯示器可以將來自其他傳感器得信息 ,例如其他雷達 :空中交通管制雷達應答系統 (ATCRBS) 、軍用敵我識別 (IFF) 、低亮度 TV、前視紅外 (FLIR),避免碰撞系統或來自民用或軍用數據鏈的信息 ,都能組合到顯示器上。除已處理雷達視頻和原始視頻外 ,雷達觀測的區域地圖及文字數字信息和圖形也能添加到 VGA顯示器上。 5、VGA顯示器在雷達應用中的優點 與平面位置顯示器相比,VGA顯示器的在雷達圖像顯示上有了更大優勢: 1)克服了平面位置顯示器整個平面上亮度不均的缺點。實現了高亮度顯示 2)避免顯示器的圖像的閃爍現象, 3)便于彩色顯示 4)便于采用計算機顯示終端技術 5)降低了成本,提高了可靠性 本文作者的創新點：在本設計中采用了 1280*1024的高分辨率顯示 ,克服了早期低分辨率 VGA顯示器雷達圖像分裂和定位精度低的缺點。 |
