隨著CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器制造工藝的發(fā)展，圖像傳感器的分辨率越來越高，如果要實(shí)時(shí)顯示圖像傳感器采集到的圖像，則要求圖像處理芯片有較高的運(yùn)行速度，但由于需要處理的數(shù)據(jù)量太大，一般的數(shù)字信號(hào)處理器很難直接輸出分辨率為1024×768，幀頻為60 Hz的標(biāo)準(zhǔn)XGA信號(hào)。這就需要對(duì)DSP輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使圖像能夠在VGA顯示器上實(shí)時(shí)顯示。市場上雖然也有一些專門圖像處理芯片，但其價(jià)格昂貴，且應(yīng)用于特殊場合。本文設(shè)計(jì)的顯示控制器可以達(dá)到提升幀頻的功能，可使輸入分辨率為1024×768，幀頻為7.5HZ的YCbCr（4:2：2）圖像信號(hào)提升到幀頻為60HZ，并通過色空間轉(zhuǎn)換，將YCbCr（4:2：2）圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成RGB格式的標(biāo)準(zhǔn)XGA信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生符合VESA標(biāo)準(zhǔn)的XGA格式的行、場同步信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可直接輸出到VGA接口，從而可使圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)能夠在VGA顯示器上實(shí)時(shí)顯示。

隨著微電子技術(shù)及其制造工藝的發(fā)展，可編程邏輯器件的邏輯門密度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，由于FPGA器件的可并行處理能力及其可重復(fù)在系統(tǒng)編程的靈活性，其應(yīng)用越來越廣泛。隨著微處理器、專用邏輯器件、以及DSP算法以IP核的形式嵌入到FPGA中，F(xiàn)PGA可實(shí)現(xiàn)的功能越來越強(qiáng)，F(xiàn)PGA在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。本文設(shè)計(jì)的顯示控制器就是用VHDL語言描述，基于FPGA而實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1 顯示控制器的設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

圖像傳感器采集到的原始圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換及DSP處理后，生成每秒7.5幀的圖像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是分辨率為1024×768的YCbCr（4:2：2）格式的16位圖像數(shù)據(jù)。DSP輸出到FPGA的信號(hào)有象素時(shí)鐘，行、場參考，圖像數(shù)據(jù)。FPGA在輸入的行、場參考都有效時(shí)，在輸入象素時(shí)鐘的同步下，接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，并送入到SDRAM中， 同時(shí)從另一個(gè)SDRAM 中讀取數(shù)據(jù)，并通過色空間轉(zhuǎn)換，將YCbCr（4:2：2）信號(hào)轉(zhuǎn)換成RGB信號(hào)。當(dāng)SDRAM 中寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，控制器對(duì)兩個(gè)SDRAM進(jìn)行讀、寫切換。由于寫數(shù)據(jù)速率小于讀數(shù)據(jù)速率，所以在往一個(gè)SDRAM寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間內(nèi)，控制器能夠連續(xù)多次從另一個(gè)SDRAM中讀出另一幀圖像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了提高幀頻的目的。FPGA輸出的RGB格式數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，配合行、場同步信號(hào)可使其在VGA顯示器上顯示。外部晶振輸入32.5MHZ的時(shí)鐘，該時(shí)鐘在FPGA內(nèi)經(jīng)時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻后產(chǎn)生65MHZ的主時(shí)鐘，用于對(duì)兩個(gè)SDRAM進(jìn)行讀寫和用來產(chǎn)生符合VESA標(biāo)準(zhǔn)的XGA格式的行、場同步信號(hào)。

1.2 控制器的內(nèi)部模塊介紹

本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，按照現(xiàn)代EDA工程常用的“自頂向下“的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行功能分離并按層次設(shè)計(jì)，用VHDL語言實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能。該顯示控制器主要由以下七個(gè)功能模塊組成：

用于從DSP接收數(shù)據(jù)的輸入緩沖模塊

用于對(duì)兩個(gè)SDRAM進(jìn)行讀寫切換的主控制器模塊

SDRAM1的控制器模塊

SDRAM2的控制器模塊

用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)XGA格式的時(shí)序發(fā)生器模塊

用于從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)并配合行、場同步輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖模塊

用于將YCbCr（4:2：2）轉(zhuǎn)換成RGB格式的色空間轉(zhuǎn)換模塊。

該顯示控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。上電后，顯示控制器首先對(duì)兩片SDRAM進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后，其它模塊才開始工作。下面將詳細(xì)介紹各個(gè)模塊的功能及設(shè)計(jì)思想。

圖2 顯示控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)輸入緩沖模塊

數(shù)據(jù)輸入緩沖模塊為深度為1024、寬度為16bit的異步FIFO （先進(jìn)先出），寫時(shí)鐘為DSP輸出的12MHZ的象素時(shí)鐘，讀時(shí)鐘為經(jīng)時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻后的65MHZ的主時(shí)鐘，通過場下降沿檢測，來確保從一幀開始時(shí)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入的原始圖像數(shù)據(jù)的行、場參考信號(hào)都有效時(shí)，該FIFO的寫使能有效，在輸入象素時(shí)鐘的同步下，開始接收數(shù)據(jù)，寫地址計(jì)數(shù)器為0到1023的循環(huán)計(jì)數(shù)器，當(dāng)其計(jì)數(shù)到511或1023時(shí)，給主控制器發(fā)讀信號(hào)，主控制器隨后產(chǎn)生FIFO的讀使能信號(hào)，使讀使能信號(hào)在連續(xù)的512個(gè)讀時(shí)鐘周期內(nèi)一直有效，即可連續(xù)讀出512個(gè)數(shù)據(jù)。由于讀時(shí)鐘頻率大于寫時(shí)鐘頻率，所以不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)寫滿溢出的現(xiàn)象。

1.2.2 主控制器模塊

該模塊為顯示控制器的主要控制部分，通過對(duì)輸入緩沖的讀請(qǐng)求信號(hào)和輸出緩沖的寫請(qǐng)求信號(hào)處理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)SDRAM的讀、寫切換。上電后，該模塊接收從輸入緩沖中讀出的數(shù)據(jù)并將其寫入到SDRAM 1中，同時(shí)從SDRAM2中讀出數(shù)據(jù)，送入到輸出緩沖中，當(dāng)然最初讀出的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。當(dāng)SDRAM1中寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)，即1024×768個(gè)有效數(shù)據(jù)后，該模塊對(duì)兩個(gè)SDRAM進(jìn)行讀、寫切換，即將接收數(shù)據(jù)寫入到SDRAM2中，同時(shí)從SDRAM 1中讀出數(shù)據(jù)，一直按此規(guī)則進(jìn)行讀、寫切換。兩個(gè)SDRAM的讀、寫地址發(fā)生器靠主控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 SDRAM控制器模塊

該模塊首先完成對(duì)SDRAM 的初始化，初始化過程為：上電后等待200 us，然后對(duì)所有BANK發(fā)預(yù)充命令，接著發(fā)出八個(gè)自動(dòng)刷新命令，然后進(jìn)行模式設(shè)置，模式設(shè)置時(shí)將SDRAM設(shè)置成連續(xù)的全頁并發(fā)模式，即512并發(fā)。

初始化結(jié)束后，SDRAM進(jìn)入正常工作狀態(tài)，準(zhǔn)備接收讀、寫命令。當(dāng)SDRAM在空閑狀態(tài)下，為保持其數(shù)據(jù)不丟失，必須對(duì)其進(jìn)行定時(shí)刷新，一般要求64ms內(nèi)刷新4096次，通常根據(jù)時(shí)鐘頻率，用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)鐘脈沖到15.625 us時(shí)，發(fā)自動(dòng)刷新命令，但是當(dāng)SDRAM在進(jìn)行讀、寫進(jìn)發(fā)時(shí)，自動(dòng)刷新命令會(huì)打斷讀、寫，從而造成數(shù)據(jù)丟失。該設(shè)計(jì)中，由于在64ms內(nèi)對(duì)SDRAM至少進(jìn)行4096次讀、寫操作，所以可以不必對(duì)其進(jìn)行刷新。

由于SDRAM被設(shè)置成全頁并發(fā)，預(yù)充命令可停止并發(fā)，所以當(dāng)SDRAM讀、寫到511時(shí)，發(fā)出預(yù)充命令，來停止并發(fā)，同時(shí)關(guān)閉當(dāng)前行，為下一次讀、寫作好準(zhǔn)備。SDRAM初始化后，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 SDRAM初始化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1.2.4 時(shí)序發(fā)生器模塊

該模塊為輸出行、場同步產(chǎn)生模塊，利用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻后的65MHZ的主時(shí)鐘產(chǎn)生符合VESA標(biāo)準(zhǔn)的分辨率為1024×768、幀頻為60HZ的標(biāo)準(zhǔn)XGA格式的行、場同步信號(hào)，同時(shí)在行、場參考信號(hào)都有效時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給輸出緩沖模塊，作為輸出緩沖的讀使能信號(hào)。根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)，分辨率為1024×768、幀頻為60HZ的標(biāo)準(zhǔn)XGA信號(hào)的象素時(shí)鐘為65MHZ，行同步信號(hào)的有效時(shí)間相當(dāng)于1024個(gè)象素時(shí)鐘周期，同步頭寬度相當(dāng)于136個(gè)象素時(shí)鐘周期，前肩寬度為相當(dāng)于26個(gè)象素時(shí)鐘周期，后肩寬度為相當(dāng)于162個(gè)象素時(shí)鐘周期。場同步信號(hào)的有效時(shí)間相當(dāng)于768個(gè)行周期長度，同步頭為6個(gè)行周期長度，前肩為3個(gè)行周期長度，后肩為29個(gè)行周期長度。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)行、場參考信號(hào)都有效時(shí)，一幅圖像可輸出1024×768個(gè)有效數(shù)據(jù)。該模塊的時(shí)序仿真波形如圖4所示。

1.2.5 輸出緩沖模塊

該模塊為深度為1024、寬度為16bit的異步FIFO（先進(jìn)先出），寫時(shí)鐘和讀時(shí)鐘同為65MHZ的主時(shí)鐘，SDRAM初始化結(jié)束后，該模塊先從SDRAM2中讀出1024個(gè)數(shù)據(jù)，然后才使時(shí)序發(fā)生器模塊開始工作，當(dāng)讀使能有效時(shí)，在讀時(shí)鐘同步下，讀地址計(jì)數(shù)器從0到1023循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到100或700時(shí)，該模塊向主控制器模塊發(fā)寫請(qǐng)求命令，從而每次可從SDRAM中連續(xù)讀出512個(gè)數(shù)據(jù)，由于在輸出行、場消隱期間，讀使能信號(hào)無效，所以，不會(huì)產(chǎn)生讀空現(xiàn)象。

1.2.6 色空間轉(zhuǎn)換模塊

輸出緩沖模塊輸出YCbCr（4:2：2）格式的信號(hào)，其輸出順序如表1所示。本設(shè)計(jì)采用臨近插值法，插值后的YCbCr格式如表2所示。

表1 YCbCr（4:2：2）圖像格式 Y0Cb0 Y1Cr0 Y2Cb2 Y3Cr2 Y4Cb4 Y5Cr4 ……

表2 插值后的YCbCr圖像格式 Y0Cb0Cr0 Y1Cb2Cr0 Y2Cb2Cr2 Y3Cb4Cr2 Y4Cb4Cr2 ……

YCbCr色空間到RGB色空間的轉(zhuǎn)換公式為：

其中Y的范圍是（16，235），Cb、Cr的范圍是（16，240），為了防止相減后為負(fù)出現(xiàn)溢出，對(duì)轉(zhuǎn)換公式變形得：

用VHDL語言描述小數(shù)乘法時(shí)，通常是將小數(shù)擴(kuò)大2的整數(shù)冪次方倍后，取整進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后將結(jié)果進(jìn)行移位操作。當(dāng)需要對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行四舍五入時(shí)，可以在運(yùn)算時(shí)加0.5，然后對(duì)運(yùn)算結(jié)果取整。下面將對(duì)R的運(yùn)算過程進(jìn)行描述，運(yùn)算精度取11位。

R=（1.164Y+1.596Cr）-222.912+0.5

= （1.164Y+1.596Cr）-222.412

= （1/211） ［（2384Y+3296Cr）-455499］

將方括號(hào)中的運(yùn)算結(jié)果右移11位，即可得到R的值。Cb、Cr的運(yùn)算過程與此類似。

色空間轉(zhuǎn)換模塊輸出24bit RGB（8:8：8）信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，配合時(shí)序發(fā)生器模塊產(chǎn)生的行、場同步信號(hào)，即可在VGA顯示器上顯示。

色空間轉(zhuǎn)換模塊之所以放在輸出緩沖模塊后，主要是為了減少輸入緩沖和輸出緩沖模塊中的先進(jìn)先出及SDRAM的存儲(chǔ)空間，如在相同精度下，SDRAM存儲(chǔ)一幀圖像將會(huì)占用1024×768×24bit的存儲(chǔ)空間，色空間轉(zhuǎn)換模塊放在輸出緩沖模塊后，將會(huì)減少1/3的存儲(chǔ)空間。

2 顯示控制器的硬件實(shí)現(xiàn)

該顯示控制器是基于Xilinx公司的Spartan-IIE系列FPGA XC2S300E-6-PQ208C設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。此FPGA邏輯資源豐富，其內(nèi)有30萬個(gè)系統(tǒng)門，6912個(gè)邏輯單元（LC），1536個(gè)可配置邏輯快（CLB），64Kbit的塊RAM，146個(gè)可用的I/O口，4個(gè)數(shù)字延遲鎖相環(huán)（DLL）。塊RAM可實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)，延遲鎖相環(huán)可對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行管理，可自動(dòng)調(diào)整并消除輸入時(shí)鐘與FPGA內(nèi)部時(shí)鐘之間的相位偏移，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的分頻、倍頻和移相。

用于幀緩存的兩個(gè)SDRAM 的型號(hào)為HY57V281620HCST，此SDRAM 為Hynix公司生產(chǎn)的高速存儲(chǔ)器，其內(nèi)有四個(gè)Bank，每個(gè)Bank的存儲(chǔ)空間為2M×16bit，可應(yīng)用于需存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的場合。

3 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的顯示控制器具有很強(qiáng)的靈活性，當(dāng)輸入圖像格式改變時(shí)，只需在色空間轉(zhuǎn)換模塊做相應(yīng)修改，便可實(shí)現(xiàn)不同格式圖像的VGA顯示。基于該顯示控制器而研發(fā)的高分辨率監(jiān)控?cái)z像機(jī)、數(shù)字視頻展臺(tái)等產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用在教育、銀行、煤礦、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。