利用可編程器件CPLD/FPGA實現VGA彩色顯示控制器在工業現場中有許多實際應用。以硬件描述語言VHDL對可編程器件進行功能模塊設計、仿真綜合，可實現VGA顯示控制器顯示各種圖形、圖像、文字，并實現了動畫效果。

VGA 接口及設計參數

VGA接口是與顯示器進行通信的唯一接口。通過CPLD/FPGA器件對RGB信號、行同步信號、場同步信號等信號的控制，并參照有關標準，可以實現對VGA顯示器的控制。由此可見，了解接口標準，控制時序和設定恰當的參數是系統設計的關鍵。

參照VGA主要參數的工業標準，像素輸出頻率為25.175MHz；行頻（線頻率）為31.469KHz；場頻（刷新率）為59.94Hz.參數設計原理以及行同步信號（Ts）與顯示信號（Tdis）的關系如圖1所示。

VGA 圖像控制器的設計方案

VGA圖像控制器是一個較大的數字系統。采用模塊化設計原則，借鑒自頂而下的程序設計思想，進行功能分離并按層次設計。將VHDL硬件描述語言設計與原理圖設計相結合，逐一對每個功能模塊進行仿真，使頂層VGA圖像控制器的模塊實體仿真綜合得以順利通過。VGA控制器主要由以下模塊組成：消隱模塊，顯示模塊，分頻模塊，網格生成模塊，漢字顯示模塊，圖像控制模塊，動畫生成模塊，LPM-ROM調用模塊，EEPROM調用模塊等。功能模塊的VHDL設計如下。

消隱模塊

消隱模塊是整個顯示控制器的關鍵部分，顯示模塊、漢字模塊、彩條模塊、網格模塊、動畫控制模塊、LPM-ROM調用模塊等都由消隱模塊控制，并且行同步信號（HS）和場同步信號（VS）都由該模塊產生。

圖2是消隱模塊的仿真結果。由于CLK頻率相當高，像素速率也很高，為了觀察HS、VS信號，適當縮小了波形比例。其中， C［9……0］為像素坐標值，L［8……0］為掃描線信號，也就是像素的橫坐標。

顯示模塊

顯示模塊是整個顯示控制器的重要組成部分。各個模塊的輸出數據都要經過該模塊處理后送到顯示器。顯示模塊在VGA顯示控制器中起著至關重要的作用。

顯示模塊的VHDL設計如下：

顯示模塊仿真波形如圖3所示。

GRBP為三原色數據信號，由模式控制模塊產生；行同步信號HS由消隱模塊產生；場同步信號VS由消隱模塊產生。輸出的R、G、B信號分別為紅色、綠色、藍色信號。

顯示模塊的輸出信號直接連到VGA接口，它是控制器與顯示器進行通信的橋梁。該模塊以VHDL語言實現，該模塊中的結構體描述一共只用了6條語句。而要實現同樣的功能，一般操作系統的視頻卡驅動程序需要冗長的代碼去描述。由此可見，VHDL語言具有很大的優越性。

漢字生成模塊

漢字生成模塊可實現在顯示器上顯示漢字、字符等。字模信息可以利用字模提取軟件來獲得，得到了漢字的字模信息后，可以通過屏幕上的橫坐標和縱坐標按照字模信息定義像素的顏色，這樣就可以顯示任何字體、任何點陣的漢字，并根據需要決定漢字在屏幕上的位置。至于英文以及其他任何符號的顯示原理與漢字顯示的原理一樣。

網格生成模塊

網格生成模塊用來編輯各種圖形。網格生成模塊的實現原理與漢字生成模塊、彩條發生器類似，在像素的橫坐標和縱坐標控制下，實現各種網格圖形的生成。網格生成模塊所產生的九種圖形送顯示器依次顯示，所以可以看到網格由小到大逐漸變化，雖然不是動畫效果，但每秒一幀畫面的速度依然使圖像連續變化呈現出動感。網格以及背景的顏色也可以隨意設置。每幀圖像的速率可由時鐘來控制。

網格生成模塊的主要功能是編輯各種圖形，因此本模塊可以按照設計方案生成各種各樣的圖形。網格的選擇是一種比較簡單的圖像編輯，該部分雖然名為網格生成模塊，但實際上可以編輯出多種彩色圖像。

LPM-ROM調用模塊

LPM是參數可設置模塊庫。本設計中調用了三個LPM-ROM，其中兩個用來存放漢字信息，另一個用來存放動態彩條信息。調用LPM-ROM模塊，一個重要的問題就是*.mif文件的生成。這里文件生成借助字模提取軟件和WORD編輯功能。設置好參數后，生成元件作為自定義元件庫中的元件以供調用。

LPM-ROM調用模塊為不使用外掛ROM而建立字庫提供了條件，直接調用LPM模塊，可以大大提高效率。通過LPM-ROM可以在顯示器上顯示漢字、字符等。

EEPROM調用模塊

EEPROM調用模塊是設計的難點之一。該模塊實現了對系統外掛的兩個EEPROM（W27E040和W27C020）的訪問，通過該模塊可以使顯示器顯示各種各樣的彩色圖像。

圖像模式控制模塊圖像模式控制模塊也是該數字系統的關鍵部分，它的主體部分是一個功能齊全的數據選擇器（32選1）。

該模塊由一個32選1數據選擇器和一個32進制可逆計數器組成。可逆計數器控制端為EC、DIR、CLR，MD為計數時鐘信號。計數結果（即對應一種模式）是數據選擇器進行選擇的依據，通過對可逆計數器的控制，可以實現對模式選擇的控制。

圖像控制模塊共產生了32種模式，由計數器實現了對模式的有效控制。其實圖像控制模塊功能還可以進一步擴展。計數器輸出為8比特，實際共有255種模式，在輸入的32個信號中，可以將它們其中的任意幾個進行再處理，如疊加、異或（棋盤格生成就是橫彩條與豎彩條的異或而實現的）、相與等等，這樣就可以產生成千上萬種圖形的輸出。

VGA控制器中的十余個模塊都采用VHDL語言實現，每個模塊在功能仿真無誤后生成元件，放入元件庫中，由頂層原理圖調用各個模塊（元件）。VGA圖像控制器整體設計經過調試，通過了MAX+PLUSⅡ的功能仿真、時序仿真以及硬件仿真綜合，在VGA顯示器上實現了所設計的各種功能。

結語

利用可編程邏輯器件可以很方便地實現數字系統設計，基于CPLD/FPGA器件的VGA控制器可以實現顯示器的實時顯示。該系統性能高低取決于系統設計方案，硬件描述語言設計以及開發工具的性能。

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