FPGA图像音频通信接口：VGA

VGA

1 VGA彩条显示实验

2、VGA方块移动实验

3 VGA字符显示实验

VGA是IBM公司在1987年推出的一种视频传输标准，具有分辨率高，显示速率快、颜色丰富等优点。VGA的全称是Video Graphics Array，即视频图形阵列，是一个使用模拟信号进行视频传输的标准。

VGA接口定义及各引脚功能说明如图 18.1.2所示，我们一般只用到其中的1（RED）、2（GREEN）、3（BLUE）、13（HSYNC）、14(VSYNC)信号。引脚1、2、3分别输出红、绿、蓝三原色模拟信号，电压变化范围为 0~0.714V，0V代表无色，0.714V 代表满色；引脚13、14输出TTL电平标准的行/场同步信号。

在VGA视频传输标准中，视频图像被分解为红、绿、蓝三原色信号，经过数模转换之后，在行同步（HSYNC）和场同步（VSYNC）信号的同步下分别在三个独立通道传输。VGA在传输过程中的同步时序分为行时序和场时序，

行同步时序

场同步时序

一行或一场（又称一帧）数据都分为四个部分：低电平同步脉冲、显示后沿、有效数据段以及显示前沿。

行同步信号HSYNC在一个行扫描周期中完成一行图像的显示，其中在a段维持一段时间的低电平用于数据同步，其余时间拉高；在有效数据期间（c段），红绿蓝三原色数据通道上输出一行图像信号，其余时间数据无效。

场同步信号在一个场扫描周期中完成一帧图像的显示，不同的是行扫描周期的基本单位是像素点时钟，即完成一个像素点显示所需要的时间；而场扫描周期的基本单位是完成一行图像显示所需要的时间。

640*480@60表示每一行有640个像素，一帧有480行，每秒显示60帧图像

不同分辨率的VGA时序参数

开拓者开发板上VGA接口，FPGA管脚输出的颜色数据位宽为16bit，数据格式为RGB565，即数据高5位表示红色，中间6位表示绿色，低5位表示蓝色。RGB565格式的数据一共可表示65536种颜色，此外常用的颜色数据格式还有RGB888，数据位宽越大，可以表示的颜色种类就越丰富。VGA传输的是模拟信号，因此需要对FPGA输出的RGB565颜色数据进行数模转换。可以通过专用的视频转换芯片（如ADV7123）来实现，也可以采用利用电阻匹配网络来实现数字信号到模拟信号的转换。

VGA接口原理图

1 VGA彩条显示实验

实验任务：

使用开拓者开发板上的VGA接口在显示器上显示彩条，要求分辨率为640*480，刷新速率为60hz。

程序设计：

VGA时序包含三个要素：像素时钟、行场同步信号、以及图像数据，时钟分频模块负责产生像素时钟，VGA驱动模块产生行场同步信号，VGA显示模块输出图像数据。

VGA彩条显示系统框图

由系统框图可知，FPGA部分包括四个模块，顶层模块（vga_colorbar）、时钟分频模块（vga_pll）、VGA显示模块（vga_display）以及VGA驱动模块（vga_driver）。其中在顶层模块中完成对另外三个模块的例化。

时钟分频模块(vga_pll)通过调用锁相环(PLL) IP核来实现。根据实验任务要求的分辨率及刷新速率，通过图可以得知本次实验中VGA显示用到的像素时钟为25.175Mhz，因为分辨率不是很高，我们可以设置锁相环IP核让其输出25Mhz的时钟作为像素时钟

VGA驱动模块(vga_driver)在像素时钟的驱动下，根据VGA时序的参数输出行同步(vga_hs)、场同步（vga_vs）信号。同时VGA驱动模块还需要输出像素点的纵横坐标，供VGA显示模块(vga_display)调用，以绘制彩条图案。

顶层模块原理图

顶层模块的代码如下：

module vga_colorbar(

input sys_clk,

input sys_rst_n,

//VGA接口

output vga_hs,//行同步信号

output vga_vs,//场同步信号

output [15:0] vga_rgb//红绿蓝三原色输出

);

//wire define

wire vga_clk_w;//PLL分频得到25Mhz时钟

wire locked_w; //lock信号拉高表示PLL输出稳定信号

wire rst_n_w; //内部复位信号

wire [15:0] pixel_data_w;//像素点数据

wire [9:0] pixel_xpos_w;//像素点横坐标

wire [9:0] pixel_ypos_w;//像素点纵坐标

//待PLL输出稳定后，停止复位

assign rst_n_w=sys_rst_n&&locked_w;

//例化时钟分频模块

pll u_pll(

.areset(~sys_rst_n),

.inclk0(sys_clk),

.c0(vga_clk_w),//VGA时钟 25M

.locked(locked_w)

);

vga_driver u_vga_driver(

.vga_clk(vga_clk_w),

.rst_n(rst_n_w),

.vga_hs(vga_hs),

.vga_vs(vga_vs),

.vga_rgb(vga_rgb),

.pixel_data(pixel_data_w),

.pixel_xpos(pixel_xpos_w),

.pixel_ypos(pixel_ypos_w)

);

vga_display u_vga_display(

.vga_clk(vga_clk_w),

.rst_n(rst_n_w),

.pixel_xpos(pixel_xpos_w),

.pixel_ypos(pixel_ypos_w),

.pixel_data(pixel_data_w)

);

endmodule

利用IP核进行时钟分频时，系统上电复位后PLL输出的25Mhz时钟需要经过一段时间才能到达稳定状态。在PLL输出稳定后,标志信号locked拉高。

由于VGA驱动模块及显示模块均由PLL输出的像素时钟驱动，因此在PLL输出稳定之前，其余模块应保持复位状态。通过将系统复位信号sys_rst_n和PLL输出稳定标志信号locked进行“与”操作，得到内部复位信号rst_n_w。将该信号作为VGA驱动模块及显示模块的复位信号，可避免由于系统复位后像素时钟不稳定造成的VGA时序错误。

VGA驱动模块代码如下

module vga_driver(

input vga_clk,

input rst_n,

//VGA接口

output vga_hs, //行同步信号

output vga_vs, //场同步信号

output [15:0] vga_rgb,//红绿蓝三原色输出

input [15:0] pixel_data,//像素点数据

output [9:0] pixel_xpos,//像素点横坐标

output [9:0] pixel_ypos //像素点纵坐标

);

//parameter define //定义了分辨率为640*480@60时VGA时序中的各个参数

parameter H_SYNC=10'd96;//行同步

parameter H_BACK=10'd48;//行后沿显示

parameter H_DISP=10'd640;//行有效数据

parameter H_FRONT=10'd16;//行显示前沿

parameter H_TOTAL=10'd800;//行扫描周期

parameter V_SYNC=10'd2;//场同步

parameter V_BACK=10'd33;//场显示后沿

parameter V_DISP=10'd480;//场有效数据

parameter V_FRONT=10'd10;//场显示前沿

parameter V_TOTAL=10'd525;//场扫描周期

//reg define

reg [9:0] cnt_h;

reg [9:0] cnt_v;

//wire define

wire vga_en;

wire data_req;

//VGA行场同步信号

assign vga_hs=(cnt_h<H_SYNC)?1'b0:1'b1;

assign vga_vs=(cnt_v<V_SYNC)?1'b0:1'b1;

//RGB565数据输出使能信号

assign vga_en=(((cnt_h>=H_SYNC+H_BACK)&&(cnt_h<H_SYNC+H_BACK+H_DISP))

&&((cnt_v>=V_SYNC+V_BACK)&&(cnt_v<V_SYNC+V_BACK+V_DISP)))

?1'b1:1'b0;

//RGB565数据输出

assign vga_rgb=vga_en?pixel_data:16'd0;

//像素点颜色数据输入请求信号

assign data_req=(((cnt_h>=H_SYNC+H_BACK-1'b1)&&(cnt_h<H_SYNC+H_BACK+H_DISP-1'b1))

&&((cnt_v>=V_SYNC+V_BACK)&&(cnt_v<V_SYNC+V_BACK+V_DISP)))

?1'b1:1'b0;

//像素点坐标

assign pixel_xpos=data_req?(cnt_h-(H_SYNC+H_BACK-1'b1)):10'd0;

assign pixel_ypos=data_req?(cnt_v-(V_SYNC+V_BACK-1'b1)):10'd0;

//行计数器对像素时钟计数

always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n)

cnt_h<=10'd0;

else begin

if(cnt_h<H_TOTAL-1'b1)

cnt_h<=cnt_h+1'b1;

else

cnt_h<=10'd0;

end

//场计数器对行计数，

//扫描一个行后cnt_v加1，计满一个行扫描周期后清零并重新计数

always@(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n)

cnt_v<=10'd0;

else if(cnt_h==H_TOTAL-1'b1) begin

if(cnt_v<V_TOTAL-1'b1)

cnt_v<=cnt_v+1'b1;

else

cnt_v<=10'd0;

end

endmodule

由于坐标输出后下一个时钟周期才能接收到像素点的颜色数据，因此数据请求信号data_req比数据输出使能信号vga_en提前一个时钟周期。

VGA显示模块的代码

module vga_display(

input vga_clk,//VGA驱动时钟

input rst_n,//复位信号

input [9:0] pixel_xpos,//像素点横坐标

input [9:0] pixel_ypos,//像素点纵坐标

output reg [15:0] pixel_data //像素点数据

);

parameter H_DISP=10'd640; //分辨率一行

parameter V_DISP=10'd480; //分辨率一列

parameter WHITE=16'b11111_111111_11111;//RGB565白色

parameter BLACK=16'd00000_000000_00000;//RGB565黑色

parameter RED=16'd11111_000000_00000;//红色

parameter GREEN=16'b00000_111111_00000;//绿色

parameter BLUE=16'b00000_000000_11111;//蓝色

//根据当前像素点坐标指定当前像素点颜色数据，在屏幕上显示彩条

always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n)

pixel_data<=16'd0;

else begin

if((pixel_xpos>=0)&&(pixel_xpos<(H_DISP/5)*1))

pixel_data<=WHITE;

else if((pixel_xpos>=(H_DISP/5)*1)&&(pixel_xpos<(H_DISP/5)*2))

pixel_data<=BLACK;

else if((pixel_xpos>=(H_DISP/5)*2)&&(pixel_xpos<(H_DISP/5)*3))

pixel_data<=RED;

else if((pixel_xpos>=(H_DISP/5)*3)&&(pixel_xpos<(H_DISP/5)*4))

pixel_data<=GREEN;

else

pixel_data<=BLUE;

end

endmodule

2、VGA方块移动实验

实验任务：

使用开拓者开发板上的VGA接口在显示器上显示一个不停移动的方块，要求方块移动到边界处时能够改变移动方向。显示分辨率为640*480@60；

程序设计：

在“VGA彩条显示实验”中，我们利用VGA驱动模块输出的像素点的横坐标，在VGA显示模块中完成了彩条图案的绘制。而在本次实验中，为了完成方块的显示，需要同时使用像素点的横坐标和纵坐标来绘制方块所在的矩形区域，另外还需要知道矩形区域左上角的顶点坐标。由于VGA显示的图像在行场同步信号的同步下不停的刷新，因此只要连续改变方块左上角顶点的坐标，并在新的坐标点处重新绘制方块，即可实现方块移动的效果。

VGA显示模块代码如下：

module vga_display(

input vga_clk,//VGA驱动时钟

input rst_n,//复位信号

input [9:0] pixel_xpos,//像素点横坐标

input [9:0] pixel_ypos,//像素点纵坐标

output reg [15:0] pixel_data //像素点数据

);

parameter H_DISP=10'd640; //分辨率一行

parameter V_DISP=10'd480; //分辨率一列

parameter SIDE_W=10'd40; //边框宽度

parameter BLOCK_W=10'd40; //方框宽度

parameter WHITE=16'b11111_111111_11111;//背景颜色白色

parameter BLACK=16'd00000_000000_00000;//方块颜色黑色

parameter BLUE=16'b00000_000000_11111; //边框颜色蓝色

//reg define

reg [9:0] block_x; //方块左上角横坐标

reg [9:0] block_y; //方块左上角纵坐标

reg [21:0] div_cnt; //时钟分频计数器

reg h_direct; //方块水平移动方向，1：右移，0：左移

reg v_direct; //方块竖直移动方向，1：向下，0：向上

//wire define

wire move_en; //方块移动使能信号，频率为100hz

assign move_en=(div_cnt==22'd250000-1'b1)?1'b1:1'b0;

//通过对vga驱动时钟计数，实现时钟分频，频率为100hz

always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n)

div_cnt<=22'd0;

else begin

if(div_cnt<22'd25000-1'b1)

div_cnt<=div_cnt+1'b1;

else

div_cnt<=22'd0; //计数达10ms清零

end

//当方块移动到边界时，改变移动方向

always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n) begin

h_direct<=1'b1; //方块初始水平向右移动

v_direct<=1'b1; //方块初始竖直向下移动

end

else begin

if(block_x==SIDE_W-1'b1) //到达左边界时，水平向右

h_direct<=1'b1;

else if(block_x==H_DISP-SIDE_W-BLOCK_W) //到达右边界时，水平向左

h_direct<=1'b0;

else

h_direct<=h_direct;

if(block_y==SIDE_W-1'b1) //到达上边界时，竖直向下

v_direct<=1'b1;

else if(block_y==H_DISP-SIDE_W-BLOCK_W) //到达下边界时，竖直向上

v_direct<=1'b0;

else

v_direct<=v_direct;

end

//根据方块移动方向，改变其纵横坐标

always@(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n) begin

block_x<=22'd100;//方块初始位置横坐标

block_y<=22'd100;//方块初始位置纵坐标

end

else if(move_en) begin

if(h_direct)

block_x<=block_x+1'b1;//方块向右移动

else

block_y<=block_y+1'b1;//方块向左移动

if(v_direct)

block_y<=block_y+1'b1;//方向向下移动

else

block_y<=block_y-1'b1;//方向向上移动

end

else begin

block_x<=block_x;

block_y<=block_y;

end

//给不同的区域绘制不同的颜色

always@(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n)

pixel_data<=BLACK;

else begin

if((pixel_xpos<SIDE_W)||(pixel_xpos>=H_DISP-SIDE_W)

||(pixel_ypos<SIDE_W)||(pixel_ypos>=V_DISP-SIDE_W))

pixel_data<=BLUE;//绘制边框为蓝色

else if((pixel_xpos>=block_x)||(pixel_xpos<block_x+BLOCK_W)

||(pixel_ypos>=block_y)||(pixel_ypos<block_y+BLOCK_W))

pixel_data<=BLACK;//绘制边框为黑色

else

pixel_data<=WHITE;//绘制背景为白色

end

endmodule

由于VGA驱动时钟相对于方块移动速度而言过快，我们通过计数器对时钟计数，得到一个频率为100hz的脉冲信号move_en，用它作为使能信号来控制方块的移动。根据方块的移动方向，在使能信号move_en到来时改变其左上角顶点的纵横坐标值。当move_en的频率为100hz时，方块每秒钟在水平和竖直方向上分别移动100个像素点的距离，也可以通过调整move_en的频率，来加快或减慢方块移动的速度。

3 VGA字符显示实验

实验任务：

实验任务是使用开拓者开发板上的VGA接口在显示器的屏幕中心位置显示汉字“天津科技大学”。显示分辨率为640*480，刷新速率为60hz，每个汉字的大小为16*16。

字符（包括汉字、字母和符号等）的本质都是点阵，在VGA屏幕上体现为字符显示区域内像素点的集合。字符的大小决定了字符显示区域内像素点的数目，而字符的样式（字体、颜色等）则决定了各像素点的颜色值。因此，在显示字符之前，我们需要先指定字符的大小、样式，然后获取该字符的点阵，这个过程我们称之为“提取字模”，或简称“取模”。

一般使用0和1的组合来描述字符的点阵排列：点阵中每个像素点用一位（1 bit）数据来表示，其中用于表征字符的像素点用数字1来表示，其他的像素点作为背景用数字0来表示。“每行显示数据”是以字节（Byte）为单位的，而一个字节的数据为8个bit，即可以表示一行点阵中的8个像素点。

实验程序如下：

module vga_display(

input vga_clk,//VGA驱动时钟

input rst_n,//复位信号

input [9:0] pixel_xpos,//像素点横坐标

input [9:0] pixel_ypos,//像素点纵坐标

output reg [15:0] pixel_data //像素点数据

);

parameter H_DISP=10'd640; //分辨率一行

parameter V_DISP=10'd480; //分辨率一列

parameter POS_X=10'd288; //字符区域起始点横坐标

parameter POS_Y=10'd232; //字符区域起始点纵坐标

parameter WIDTH=10'd96;//字符区域宽度

parameter HEIGHT=10'd16;//字符区域高度

parameter RED=16'b11111_000000_00000;//字符颜色红色

parameter BLACK=16'd00000_000000_00000;//屏幕颜色黑色

parameter BLUE=16'b00000_000000_11111; //字符域背景颜色蓝色

//reg define

reg [95:0] char [15:0]; //二维字符数组

//wire define

wire [9:0] x_cnt;

wire [9:0] y_cnt;

assign x_cnt=pixel_xpos-POS_X;//像素点相对于字符区域起始点水平坐标

assign y_cnt=pixel_ypos-POS_Y;//像素点相对于字符区域起始点竖直坐标

//给字符数组赋值，显示汉字“天津科技大学”，汉字大小为16*16

always @(posedge vga_clk) begin

char[0]<=96'h000000400810102001002208;

char[1]<=96'h3FF820401D10102001001108;

char[2]<=96'h010013F8F090102001001110;

char[3]<=96'h01001048109013FE01000020;

char[4]<=96'h010087FE1010FC2001007FFE;

char[5]<=96'h01004048FD101020FFFE4002;

char[6]<=96'hFFFE4BF81090102001008004;

char[7]<=96'h01000840389015FC01001FE0;

char[8]<=96'h028010403410188402800040;

char[9]<=96'h028013F8501E308802800180;

char[10]<=96'h0440E04053F0D0480440FFFE;

char[11]<=96'h044020409010105004400100;

char[12]<=96'h082027FC1010102008200100;

char[13]<=96'h101020401010105010100100;

char[14]<=96'h200820401010518820080500;

char[15]<=96'hC006004010102606C0060200;

end

//给不同的区域绘制不同的颜色

always@(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n)

pixel_data<=BLACK;

else begin

if((pixel_xpos>=POS_X)||(pixel_xpos<POS_X+WIDTH)

||(pixel_ypos>=POS_Y)||(pixel_ypos<POS_Y+HEIGHT))begin

if(char[y_cnt][10'd95-x_cnt])

pixel_data<=RED;//绘制字符为蓝色

else

pixel_data<=BLUE;//绘制字符区域背景为黑色

end

else

pixel_data<=BLACK;//绘制屏幕为黑色

end

endmodule