引言

顯示系統在工業、農業及日常生活中扮演著越來越重要的角色，因此，對其進行設計與研究具有十分重要的意義。

CPLD（Complex Programmable Logic Device；復雜可編程邏輯器件）具有編程靈活、集成度高、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進等優點，用戶可根據自身需要構造數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，從而實現數字系統。CPLD的應用目前已深入網絡、儀器儀表、汽車電子、數控機床、航天測控設備等領域，其設計及應用成為電子工程師必備的一項技能。

系統總體設計方案

XC95144XL是5ns引腳延遲、系統頻率高達178MHz、144個宏單元、3200個可用邏輯門單元的可編程邏輯器件。本設計采用XC95144XL作為數據傳輸與控制核心模塊，接受來自TMS320C6416T的視頻數據，并采用兩片IS61WV51216ALL組成緩存，以達到實時輸入輸出數據的效果。本部分實現框圖如圖1所示。

圖1 視頻顯示功能框圖

系統硬件設計

系統硬件設計主要包括：TMS320C6416T與VGA顯示系統的接口設計；2片IS61WV51216ALL SRAM組成的緩存模塊；視頻DAC模塊。

TMS320C6416T與VGA顯示系統的接口設計

來自4片TMS320C6416T的圖像處理機的EMIFB口連接在一起，并通過CPLD的仲裁，使能哪一塊圖像處理機輸出數據至VGA顯示系統。

采用C6416T的EMIFB口輸出處理結果，當1片C6416T要求輸出數據時，C6416T要通過GP01向CPLD發送輸出數據請求，CPLD根據內部邏輯確定是否允許C6416T請求。內部邏輯準則如下：

各個DSP的輸出數據請求優先級別相等，請求信號先到者先被允許，后到者不能中斷正在響應的請求。對于同時到來的請求，CPLD響應先接收到原始視頻信號的C6416T。

當CPLD響應一個C6416T的輸出數據請求時，CPLD向C6416T的BHOLD#信號發送響應信號（對EMIFB的保持請求輸入信號）。此時，數據開始輸出。

2片IS61WV51216ALL SRAM組成的緩存模塊

2片XC95144XL各自連接1片IS61WV51216ALL組成的圖像緩存模塊。

實時顯示控制：由CPLD對各個6416T圖像處理機數據輸出接口（EMIFB）總線進行總線仲裁，實現各個6416T圖像處理機的圖像數據分時輸出。由于VGA的刷新頻率大于輸入信號的頻率，因此采用兩片SRAM“乒乓存取”工作方式，組成了圖像數據緩沖區，每片SRAM存放一幀圖像，由CPLD控制其乒乓讀寫切換以達到實時顯示效果。數據緩存電路框圖如圖2所示。

圖2 數據緩存電路框圖

采用一組SRAM作為顯存，可以簡化系統設計、降低成本。這時可以考慮利用行時序和幀時序中SRAM總線空閑的時序段，在不關閉圖像顯示的情況下實現顯存SRAM的數據更新。該方法的更新率與數據寫速度密切相關，顯存的寫數據速度越快，該方法的更新率就越高。

視頻DAC模塊

ADV7123是一個三路10位輸入的高速視頻DAC，具有330MHz的最大采樣速度，與多種高精度的顯示系統兼容，包括RS-343A和RS-170，可以廣泛應用于如HDTV、數字視頻系統（1600*1200 @100Hz）、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現等，因此能夠滿足多方面應用需求。視頻DAC（ADV7123）工作原理如圖3所示。

圖3 ADV7123工作原理

CPLD提供Hsync（行）、Vsync（場）同步信號，直接接入15針的VGA顯示接口連接器。在點時鐘脈沖pixel clock的作用下將3路10位的RGB信號送入數據寄存器，而后送到3個DAC模塊，復合消隱信號和復合同步信號加到紅、綠、藍模擬信號送到輸出端。

系統軟件設計

系統軟件設計是本文的重點，主要包括三部分內容：SRAM讀寫狀態機的設計、CPLD與SRAM的緩沖模塊通信以及VGA時序設計。

SRAM讀寫狀態機的設計

以6416為核心的圖象處理機通過外部存儲器接口向外傳送數據，連接到后端的顯示系統；但SRAM需要嚴格的通信時序確保數據的完整性，此處在CPLD內部通過狀態機構造SRAM的讀時序和寫時序，確保了6416能夠和SRAM正常通信，也確保緩沖模塊的正常運行。讀寫SRAM的時序圖如圖4和圖5所示。

圖4 讀周期時序圖

圖5 寫周期時序圖

當從SRAM中讀取數據時：首先使能片選；UB、LB時鐘處于有效狀態；WE為高，時鐘處于無效狀態；主要由OE的時序來控制使其符合讀時序圖，才能正確地讀出存儲器中的數據。在向SRAM中寫入數據時，同樣首先使能片選；UB、LB時鐘處于有效狀態；OE為高，時鐘處于無效狀態；主要由WE的時序來控制使之符合寫時序圖，才能向存儲器正確寫入數據。

CPLD與SRAM組成的緩沖模塊的通信

CPLD與SRAM組成的緩沖通信模塊，即如何乒乓讀寫SRAM機制。設定一個讀寫標志FLAG，當一塊SRAM寫滿一幀圖像時，FLAG會出現“1”到“0”或者“0”到“1”的跳變，同時切換數據流的流向，寫另一塊SRAM，同時切換輸出至后級DAC的數據流；如此循環，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 緩沖模塊通信軟件流程圖

VGA時序發生器設計

VGA標準時序參考圖如圖7所示，并用VERILOGHDL設計For VESA 800*600 @ 60Hz:VGA時序的源代碼：

圖7 VGA標準時序參考圖

系統分析

經過反復測試，系統能夠將采集端數據實時傳送到顯示器上，具體性能指標如下：

視頻輸出：VGA視頻輸出

視頻顯示DA轉換精度： 10bit

圖像輸出標準： SVGA（75Hz， 800×600）

顯示分辨率： 10bit

結語

該VGA視頻顯示系統不但可以穩定地采集圖像數據，而且可以實時將數據傳輸到CRT顯示器，便于以后人工綜合分析、處理。它特別適用于大型商場等顯示端，可以說是一個理想的解決方案。