如何利用FPGA实现VGA的彩色图片显示？

　　引言
　　视频图形阵列显示接口是微机系统使用的一种通用显示接口，广泛应用于智能控制系统中，作为系统的显示终端。对于由嵌入式微处理器构成的图像处理系统来说，采用VGA显示输出具有兼容性强、显示内容丰富的优势。同时，VGA显示接口具有结构简单、性能可靠、兼容性强、时序容易控制的特点。因此，结合FPGA的 VGA图像控制器在嵌入式的图像处理系统中有广泛的应用前景。
　　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。
　　1 VGA显示
　　常见的VGA接口的彩色显示器，一般由cRT（阴极射线管）构成，色彩由R、G、B（红：Red，绿：Green，蓝：Blue三基色组成。显示采用逐行扫描的方式进行，即当扫描完一行时，再进行下一行的扫描，直到最后一行扫描完为止。VGA接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。
　　数据信号包括红、绿、蓝信号，简称RGB信号。控制信号包括水平同步信号（HSYNC）和垂直同步信号（VsYNc）。向显示器输出不同的分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不同。但是水平同步信号和垂直同步信号时序分析相同，在扫描时均需要经过同步信号、同步后信号、行同步信号、同步后信号四个时段。仅以水平同步信号为例，其结构如图1所示。
　　
　　VGA接口的显示器原理其实就相当于点阵，通过控制器的控制，点亮所在的行和列。所以水平同步信号是针对列像素而言的，而垂直同步信号是针对行像素而言的。
　　以显示800×600的图片大小为例，根据VGA的时序标准，选择6hz的刷新频率。水平同步信号的同步信号包含128个列像素，同步后沿信号为 88个列像素，同步前沿信号为40个列像素，而屏幕显示部分为800个列像素，所以一共需要1 28+88+40+800=1 056个列像素。场同步信号的同步信号包含4个行像素，同步后沿信号包含23个行像素，同步前沿信号包含1个行像素，而屏幕显示部分为600个行像素，所以一共需要4+23+l+600=628个行像素，由此，液晶显示器显示一幅800×600的图像，需要的行列像素分别为1056和628。
　　2 系统总体框架设计
　　本系统以FPGA EP2C8Q208C8为核心芯片，通过对VGA接口的控制，实现彩色图像的显示，系统结构框图如图2所示。
　　
　　2.1锁相环PLL
　　锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL），一种输出一定频率信号的振荡电路，也称为相位同步环（回路）。该回路利用使外部施加的基准信号与PLL 回路内的振荡器输出的相位差恒定的反馈控制来产生振荡信号。在网络领域中，PLL用于从接收的信号中分离出时钟信号，可以通过实际电路或软件的方式实现。
　　由于FPGA的系统时钟为50MHz，而控制VGA的时钟为40MHz，所以在对VGA接口的控制时需要进行时钟转换，通常可以通过分频或者是调用 IP核的方式实现转换，但是由于通过自己写的分频程序假如在数据上处理不得当，容易产生毛刺，而调用quanersII软件自带的PLL内核，不仅可以做到与系统时钟同相，而且时钟稳定，能够实现对VGA时序的严格控制，与硬件电路来实现锁相环相比，调用PLJ。内核不仅可以做到操作简单，而且也节约了设计成本。
　　2.2存储模块ROM
　　只读存储（Read一0nly Memory，ROM）是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器圈。在系统框图中的三个ROM均用来存储颜色信息，由于本设计中使用图片的大小为 128×128，即一共有128×128=16384个像素点，所以ROM的大小设置为16384。这里通过quanerII软件调用FPGA的ROM内核，将MATLAB提取的红、绿、蓝三基色数据经quanusII软件的处理，分别存入FPGA的ROMl、ROM2、ROM3中。在控制模块中写入 ROM的地址，在分频后的时钟控制下，将数据读到vGA的RGB三个引脚，实现液晶显示器的图片显示。
　　2.3 MATLAB的数据提取
　　MATLAB 作为强大的数据处理工具，其基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学工程中常用的表达形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用 c，FORTRAN等语言简捷得多。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持，可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导人MATIAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用，非常的方便。
　　由于MATLAB软件中默认的图片格式为.JPc和.BNP，因此在使用MATLAB前需将原始图片通过Photo sh叩软件进行格式转换，转换后保存图片为.BMP格式，在弹出的位宽选择对话框选择24位，，然后再通过MATLAB提取红基色数据，程序如下所示，结果被保存在Red.mif文件里：
　　
　　由于本设计所使用的VGA是三位的数据接口，因此蓝基色和绿基色数据也按照此方法提取。Red.mif中的数据是24位的，所以还需要对提取到的红基色数据进行转换。在MATLAB中做如下判断将24位数据转换为3位数据。
　　
　　3 结果分析
　　图像的显示如图3所示，显示结果表明，由于原图像是24位，即224种颜色，而FPGA控制的VGA只有3位即23种颜色，相比之下，以24位的图像作为标准，VGA显示的3位图像有明显失真的现象。
　　
　　如果希望显示的图像更加清晰，那么需要将vGA的显示接口重新作出电路修改，这样才能达到清晰显示的效果。
　　4 结束语
　　在许多图像处理系统中，需要将经过处理的图像显示出来，如果采用传统的办法将图像数据传回电脑并通过显示器显示出来，那么在传输的过程中就需要嵌入式系统的 CPU不断的对所传输的图像数据信号进行控制，这样就造成了CPU资源的浪费，同样系统还需要依赖电脑，降低了系统的灵活性。如果采用FPGA对显示器的 VGA接口进行设计，数据流只需要在整个系统的内部流动，而不需要依靠计算机，实现了系统的最小化，大大减少了电路板的尺寸，增强了系统的可靠性和设计的灵活性。
　　VGA接口同样也是LCD液晶显示设备的标准接口，通过VGA控制LCD可以使整个系统变得小巧，携带方便，使得应用的范围大大扩展。作者所在的全景视觉图象处理项目中，正是需要把经过处理的图像实时地直接地显示出来，撇开对计算机的需求，以满足各种不同应用环境的需要。
　　通过FPGA对VGA接口的控制，不仅实现了FPGA对任一图像的显示，而且其内部时钟可调性为设计带来了很大的方便，节约了硬件成本。此方案可以广泛应用于数字视频系统、高分辨率的彩色图片图像处理、视频信号再现等各种领域。