FPGA的VGA实现

一丶VGA显示原理

VGA(Video Grapghics Array),是一种使用模型信号进行视频传输的标准协议。
VGA 显示器显示图像,并不是直接让图像在显示器上显示出来,而是采用扫描的方式,VGA用的扫描的方式,一般是逐行扫描。
逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始,从左像右逐点扫描,每扫描完一行,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;
当扫描完所有的行,形成一帧后,用场同步信号进行场同步,并使扫描回到屏幕左上方,同时进行场消隐,开始下一帧。
在这里插入图片描述
VGA端口的结构:
VGA端口是视频输出端口,端口一共包含15个管脚,如下图:
在这里插入图片描述
VGA原理:
在通常使用的连接方法里面,15个管脚里面的5个是最重要的,他们
包括3个基本红,绿,蓝三条基本色彩线和水平与垂直两条控制线
在这里插入图片描述
VGA接口标准:
VGA工业标准所要求的频率:
• 时钟频率: 25.175MHz(像素输出的频率);
• 行频: 31469Hz;
• 场频: 59.94Hz。
显示器技术规格提供的行频一般在30kHz~45kHz(保守数据),场频一般在50Hz~75Hz(保守数据),针对以上保守数据,以30kHz的行频进行扫描时所需时钟频率为:30kHz×800(行周期)=24MHz,则场频为:30kHz÷525(场周期)=57.14Hz

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

在这里插入图片描述
场同步时序

在这里插入图片描述
从上面两幅图中我们可以看到VGA传输过程中的行同步时序和场同步时序非常类似,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。

与之类似,场同步信号在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。

早期的VGA特指分辨率为640X480的显示模式,后来根据分辨率的不同,VGA又分为VGA(640x480)、SVGA(800x600)、XGA(1024x768)、SXGA(1280x1024)等。不同分辨率的VGA显示时序是类似的,仅存在参数上的差异,如图 18.1.5所示。

需要注意的是,即便分辨率相同,刷新速率(每秒钟图像更新次数)不一样时,对应的VGA像素时钟及时序参数也存在差异。例如,显示模式“640480@75”刷新速率为75hz,与相同分辨率下刷新速率为60hz的“640480@60”模式相比,像素时钟更快,其他时序参数也不尽相同。
在这里插入图片描述

二丶彩条显示

1.任务分析

本节实验任务是使用FPGA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。

2.代码设计

module VGA_colorbar_test(
OSC_50,     //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK,    //VGA自时钟
VGA_HS,     //行同步信号
VGA_VS,     //场同步信号
VGA_BLANK,  //复合空白信号控制信号  当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平,此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC,   //符合同步控制信号      行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R,      //VGA绿色
VGA_B,      //VGA蓝色
VGA_G);     //VGA绿色
 input OSC_50;     //外部时钟信号CLK2_50
 output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;
 output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;
 parameter H_FRONT = 16;     //行同步前沿信号周期长
 parameter H_SYNC = 96;      //行同步信号周期长
 parameter H_BACK = 48;      //行同步后沿信号周期长
 parameter H_ACT = 640;      //行显示周期长
 parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;        //行空白信号总周期长
 parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;  //行总周期长耗时
 parameter V_FRONT = 11;     //场同步前沿信号周期长
 parameter V_SYNC = 2;       //场同步信号周期长
 parameter V_BACK = 31;      //场同步后沿信号周期长
 parameter V_ACT = 480;      //场显示周期长
 parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;        //场空白信号总周期长
 parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;  //场总周期长耗时
 reg [10:0] H_Cont;        //行周期计数器
 reg [10:0] V_Cont;        //场周期计数器
 wire [7:0] VGA_R;         //VGA红色控制线
 wire [7:0] VGA_G;         //VGA绿色控制线
 wire [7:0] VGA_B;         //VGA蓝色控制线
 reg VGA_HS;
 reg VGA_VS;
 reg [10:0] X;             //当前行第几个像素点
 reg [10:0] Y;             //当前场第几行
 reg CLK_25;
 always@(posedge OSC_50)begin 
      CLK_25=~CLK_25;         //时钟
 end 

 assign VGA_SYNC = 1'b0;   //同步信号低电平
 assign VGA_BLANK = ~((H_Cont<H_BLANK)||(V_Cont<V_BLANK));  //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时,空白信号低电平
 assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反
 assign CLK_to_DAC = CLK_25;

 always@(posedge CLK_to_DAC)begin
        if(H_Cont<H_TOTAL)           //如果行计数器小于行总时长
            H_Cont<=H_Cont+1'b1;      //行计数器+1
        else H_Cont<=0;              //否则行计数器清零
        if(H_Cont==H_FRONT-1)        //如果行计数器等于行前沿空白时间-1
            VGA_HS<=1'b0;             //行同步信号置0
        if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1
            VGA_HS<=1'b1;             //行同步信号置1
        if(H_Cont>=H_BLANK)          //如果行计数器大于等于行空白总时长
            X<=H_Cont-H_BLANK;        //X等于行计数器-行空白总时长   (X为当前行第几个像素点)
        else X<=0;                   //否则X为0
end

 always@(posedge VGA_HS)begin
        if(V_Cont<V_TOTAL)           //如果场计数器小于行总时长
            V_Cont<=V_Cont+1'b1;      //场计数器+1
        else V_Cont<=0;              //否则场计数器清零
     
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