FPGA 学习笔记（十一） VGA驱动的实现

VGA时序图

1）行扫描时序图

a：行同步时期，扫描地址的复位
b：行消隐后肩，扫描地址转移后的稳定等待准备期
c：行显示时期，数据有效区域
d：行消隐前肩，扫描地址转移的准备
e：行扫描总时间，一行扫描的总时间

2）场扫描时序图

o：场同步时期，扫描地址的复位
p：场消隐后肩，扫描地址转移后的稳定等待准备期
q：场显示时期，数据有效区域
r：场消隐前肩，扫描地址转移的准备
s：场扫描总时间，一场扫描的总时间

3）VGA显示器扫描轨迹

常见的刷新率时序表

由于FPGA擅长计数电路这里采用像素表示法来设计驱动

FPGA硬件测试时要将sys_pll中的输出频率改为25MHZ。

驱动电路的verilog设计（lcd_driver）

由亍目前液晶显示器的普及，而高于 60Hz 的刷新率对于液晶来说，没有任何意义，所以我们以 640*480 在 60Hz 的刷新率下为例。

本次我们采用的是ADV7123视频转换芯片来实现。

1）为便于移植，根据640*480 60hz分辨率下的参数，宏定义相关数据

//---------------------------------
//  640 * 480
`define H_FRONT 11'd16
`define H_SYNC  11'd96
`define H_BACK  11'd48
`define H_DISP  11'd640
`define H_TOTAL 11'd800     `define V_FRONT 11'd10
`define V_SYNC  11'd2
`define V_BACK  11'd33
`define V_DISP  11'd480
`define V_TOTAL 11'd525

2）行扫描单位hcnt计数


/*******************************************
        SYNC--BACK--DISP--FRONT
*******************************************/
//------------------------------------------
//h_sync counter & generator
reg [10:0] hcnt;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
    if (!rst_n)
        hcnt <= 11'd0;
    else
        begin
        if(hcnt < `H_TOTAL - 1'b1)      //line over
            hcnt <= hcnt + 1'b1;
        else
            hcnt <= 11'd0;
        end
end
assign  lcd_hs = (hcnt <= `H_SYNC - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
//VGA行同步信号

3）列扫描单位vcnt计数
每扫描完一行，即hcnt完成H_TOTAL次计数后，vcnt进行自加。

//------------------------------------------
//v_sync counter & generator
reg [10:0] vcnt;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
beginif (!rst_n)vcnt <= 11'b0;else if(hcnt == `H_TOTAL - 1'b1)        //line overbeginif(vcnt < `V_TOTAL - 1'b1)      //frame overvcnt <= vcnt + 1'b1;elsevcnt <= 11'd0;end
end
assign  lcd_vs = (vcnt <= `V_SYNC - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
//VGA场同步信号

4）ADV7123控制信号输出
为了实现数据在lcd_dclk上升沿有效，我们将clk翻转输出，已实现上升沿采样
lcd_blank作为显示空白信号，低电平有效。
设计中不需要lcd_sync信息，可以直接接地。

//------------------------------------------
//LCELL LCELL(.in(clk),.out(lcd_dclk));
assign  lcd_dclk = ~clk;
assign  lcd_blank = lcd_hs & lcd_vs;
assign  lcd_sync = 1'b0;

5）有效显示使能信号输出
当使能信号有效时，接收外部输入的RGB数据lcd_data.

//-----------------------------------------
assign  lcd_en      =   (hcnt >= `H_SYNC + `H_BACK  && hcnt < `H_SYNC + `H_BACK + `H_DISP) &&(vcnt >= `V_SYNC + `V_BACK  && vcnt < `V_SYNC + `V_BACK + `V_DISP)
                        ? 1'b1 : 1'b0;
assign  lcd_rgb     =   lcd_en ? lcd_data : 24'h000000; //ffffff;

6）外部数据请求控制信号。
为了实现数据的稳定，lcd_request要提前一个时钟请求外部输入数据
同时，设计中实时显示下一时刻的扫描地址lcd_xpos、lcd_ypos，也要提前一个时钟输出，以保证外部数据输入的同步化。
lcd_xpos、lcd_ypos作为显示器有效显示区域的行列坐标计数值。

//------------------------------------------
//ahead x clock
localparam  H_AHEAD =   11'd1;
assign  lcd_request =   (hcnt >= `H_SYNC + `H_BACK - H_AHEAD && hcnt < `H_SYNC + `H_BACK + `H_DISP - H_AHEAD) &&(vcnt >= `V_SYNC + `V_BACK && vcnt < `V_SYNC + `V_BACK + `V_DISP) ? 1'b1 : 1'b0;
//lcd xpos & ypos
assign  lcd_xpos    =   lcd_request ? (hcnt - (`H_SYNC + `H_BACK - H_AHEAD)) : 11'd0;
assign  lcd_ypos    =   lcd_request ? (vcnt - (`V_SYNC + `V_BACK)) : 11'd0;

模拟VGA图像数据的输入

1）宏定义三原色组合的颜色如下

//define colors RGB--8|8|8
`define RED     24'hFF0000   /*11111111,00000000,00000000   */
`define GREEN   24'h00FF00   /*00000000,11111111,00000000   */
`define BLUE    24'h0000FF   /*00000000,00000000,11111111   */
`define WHITE   24'hFFFFFF   /*11111111,11111111,11111111   */
`define BLACK   24'h000000   /*00000000,00000000,00000000   */
`define YELLOW  24'hFFFF00   /*11111111,11111111,00000000   */
`define CYAN    24'hFF00FF   /*11111111,00000000,11111111   */
`define ROYAL   24'h00FFFF   /*00000000,11111111,11111111   */

这里要注意你所用的VGA驱动电路是RGB888还是RGB565，若是RGB565，三原色要改成下面样式，并把其他程序中lcd_data的位数改为16位：
笔者曾在这里犯过错误。

//define colors RGB--5|6|5
`define RED     16'hF800   /*11111111,00000000,00000000 */
`define GREEN   16'h07E8  /*00000000,11111111,00000000  */
`define BLUE    16'h0011   /*00000000,00000000,11111111 */
`define WHITE   16'hFFFF   /*11111111,11111111,11111111 */
`define BLACK   16'h0000   /*00000000,00000000,00000000 */
`define YELLOW  16'hFFE0   /*11111111,11111111,00000000 */
`define CYAN    16'hF81F   /*11111111,00000000,11111111 */
`define ROYAL   16'h07FF   /*00000000,11111111,11111111 */

2）根据输入的行、列地址信号，输出三原色组合后得到的8条彩色。

//-------------------------------------------
`ifdef VGA_HORIZONTAL_COLOR
always@(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)lcd_data <= 24'h0;elsebeginif  (lcd_ypos >= 0 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*1)lcd_data <= `RED;else if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*1 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*2)lcd_data <= `GREEN;else if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*2 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*3)lcd_data <= `BLUE;else if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*3 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*4)lcd_data <= `WHITE;else if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*4 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*5)lcd_data <= `BLACK;else if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*5 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*6)lcd_data <= `YELLOW;else if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*6 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*7)lcd_data <= `CYAN;else// if(lcd_ypos >= (`V_DISP/8)*7 && lcd_ypos < (`V_DISP/8)*8)lcd_data <= `ROYAL;end
end
`endif

不同分辨率的VGA驱动

lcd_para文件定义了四种VGA分辨率驱动，这里只需修改定义的注释就行，并把PLL锁相环中的频率改为相应的频率。

//`define   VGA_640_480_60FPS_25MHz
//`define   VGA_800_600_72FPS_50MHz
//`define   VGA_1024_768_60FPS_65MHz
`define VGA_1280_1024_60FPS_105MHz

PLL修改方法为直接修改下面参数中的乘法除法因子：

        altpll_component.clk0_divide_by = 10,altpll_component.clk0_duty_cycle = 50,altpll_component.clk0_multiply_by = 21,altpll_component.clk0_phase_shift = "0",altpll_component.compensate_clock = "CLK0",altpll_component.inclk0_input_frequency = 20000,