淺論FPGA的VGA漢字顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)論文

淺論FPGA的VGA漢字顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)論文

　　在日常學習和工作中，大家都接觸過論文吧，通過論文寫作可以提高我們綜合運用所學知識的能力。相信寫論文是一個讓許多人都頭痛的問題，下面是小編為大家整理的淺論FPGA的VGA漢字顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)論文，歡迎閱讀，希望大家能夠喜歡。

　　摘要：

　　提出一種基于Xilinx公司的Spartan一3E的FPGA顯示方案，由于FPGA芯片具有可靠性高、編程靈活、體積小等優(yōu)點，采用其控制 VGA接口進行漢字顯示，有效地解決了通用處理器控制VGA接口顯示漢字的缺點。對新方案進行理論分析和實驗，結果證明該方案達到了預期效果。

　　關鍵詞：

　　顯示繪圖陳列；現(xiàn)場可編程門陳列；VGA漢字顯示

　　隨著科技的發(fā)展，VGA漢字顯示系統(tǒng)的應用范圍越來越廣泛，傳統(tǒng)的VGA字符顯示方案是通過通用處理器控制VGA接口顯示字符信息的，這種顯示方案是以通用處理器為核心的處理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)體積大、可靠性不高且靈活性差，不適合便攜設備的設計。而FPGA芯片具有可靠性高、編程靈活和體積小等特點，因此用FPGA技術來實現(xiàn)VGA漢字顯示可以有效解決傳統(tǒng)技術中的缺點。

　　FPGA管腳資源豐富，運行速度快，可以實現(xiàn)大規(guī)模的系統(tǒng)設計，而且由于FPGA具有可重構能力和抗干擾能力強等優(yōu)點，使其越來越多地應用于工業(yè)控制領域。利用FPGA控制VGA顯示漢字，可使?jié)h字顯示脫離Pc機的控制，構建體積小、功耗低的各種嵌入式系統(tǒng)，可應用在人機界面、地面勘測、電子設備、智能儀表和性能監(jiān)測等方面。

　　1、VGA漢字顯示

　　VGA的漢字顯示是利用VGA的顯示原理，使用正確的時序信號對VGA接口相應管腳進行控制輸出RGB顏色信息來顯示相應的字符信息，其中VGA顯示原理及時序信號的控制必須遵循VGA的工業(yè)標準。顯示處理前端中的SRAM中存儲的每一位數(shù)據(jù)對應相應LCD顯示屏上一個像素點的亮和滅，“1”表示亮，“0”表示滅。在顯示設備上顯示漢字也就是按照漢字的點陣圖向顯示器上輸出1或0的高低電平，從而在顯示器上顯示出具體的漢字。

　　2、VGA顯示控制器的FPGA實現(xiàn)

　　FPGA芯片作為中央控制器控制整個系統(tǒng)的處理，根據(jù)自頂向下的設計流程，按照層次化、結構化的設計方法可以將FPGA系統(tǒng)劃分為以下幾個模塊：頂層模塊、分頻模塊、VGA控制模塊、存儲功能模塊和RAM讀取控制模塊。系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)加電FPGA芯片讀人配置信息，配置完成后，F(xiàn)PGA進人工作狀態(tài)，將要顯示的漢字的字模信息初始化到單口RAM中，由系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生時序，程序根據(jù)時序信息控制VGA接口輸出行、場同步及顏色信息到顯示器上。

　　2.1 頂層模塊

　　根據(jù)自頂向下設計方法，首先定義頂層功能塊。頂層模塊處于重要的位置，定義好頂層模塊功能后，才能進而分析哪些是構成頂層模塊必要的子模塊，然后進一步對各個子模塊進行分解，直到達到無法進一步分解的底層功能塊。頂層模塊主要負責規(guī)定各個模塊之間的數(shù)據(jù)信號和控制信號的連接關系，也就是實例化各子模塊，并且接收RAM讀取控制模塊傳來的漢字字模信息數(shù)據(jù)流，根據(jù)數(shù)據(jù)流信息中比特位為1的位賦予紅色，為0的位賦予藍色，即用紅色表示漢字，用藍色來填充背景。

　　2.2 分頻模塊

　　時序的驅動是設計VGA顯示的控制需要注意的一個重要問題，這也是實驗是否成功的關鍵設計。時序不正確，必定不能正常顯示，有時甚至會損壞顯示設備。因此，對于時序的設計我們必須遵循VGA的工業(yè)標準，在設計中使用的分辨率為640×480，根據(jù)VGA的工業(yè)標準，其像素的刷新率為25MHz。

　　而實驗采用的實驗板提供的時鐘頻率為50MHz，因此必須將系統(tǒng)進行分頻設計，即進行二分頻的設計。50MHz的時鐘頻率經(jīng)過分頻后得到實驗所需的25MHz頻率，此頻率將作為頂層控制模塊，VGA控制模塊和RAM讀取控制模塊的系統(tǒng)時鐘。

　　2.3 VGA控制模塊

　　VGA信號的電平驅動是設計VGA顯示的控制需要注意的另一個重要問題，這是正確顯示文字圖像的重要設計，如果設計不當，那么在顯示器上就不能正確顯示文字圖像。這個模塊主要是根據(jù)VGA的工業(yè)標準進行設計的，用verilog語言將工業(yè)標準用程序表示出來。

　　VGA時序信號產(chǎn)生包括行點計數(shù)器x—cnt(計數(shù)個數(shù)用 表示)、場點計數(shù)器y—cnt(計數(shù)個數(shù)用rt 表示)、行同步信號hsync、場同步信號vsync、有效顯示區(qū)Visible area等。其中行點計數(shù)器是800進制計數(shù)器，場點計數(shù)器是525進制計數(shù)器。根據(jù)VGA時序的工業(yè)標準行、場同步信號有4種狀態(tài)：同步脈沖信號 (Sync)，顯示后沿信號(Back Porch)，可視顯示區(qū)(Visible area)，顯示前沿(Front Porch)。

　　這4種狀態(tài)具有很清晰的時序規(guī)律，可以用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)這4種狀態(tài)的轉換，用h—state來表示行同步狀態(tài)機的4種狀態(tài)：h—sync，h—back，h—visible，h—front;v—state來表示場同步狀態(tài)機的4種狀態(tài)：v—sync，v—back，v— visible，v— front。行、場計數(shù)器的值決定了狀態(tài)機在何時進行狀態(tài)翻轉。

　　行狀態(tài)機復位時，進入行同步狀態(tài)h—sync，此時行同步信號輸出低電平;當行計數(shù)器的計數(shù)值達到96時，狀態(tài)機翻轉進人行消隱后沿h—back狀態(tài)，此時仍為消隱階段;當行計數(shù)器的計數(shù)值達到144時，狀態(tài)機翻轉進入h—visible狀態(tài)，它對應每行的有效顯示區(qū)域，共包含640點，在此區(qū)域以外的任何部分都不被顯示;當行計數(shù)器的計數(shù)值達到784時，狀態(tài)機進入行消隱前沿h—front狀態(tài)，此時處于消隱階段。當行計數(shù)器計數(shù)值達到799時，行狀態(tài)機進入h—sync狀態(tài)，同時行計數(shù)器的復位信號為高電平，計數(shù)器復位。

　　與行有限狀態(tài)機狀態(tài)轉移類似，需要注意的是行掃描是從左到右地掃描顯示，而場掃描是自上而下地掃描顯示，顯示區(qū)域中行與場確定的一個坐標位置為一個像素點，并且只有在行、場狀態(tài)都為有效可視狀態(tài)(h—visibl~=1且v—visible=1)時，即行有效顯示區(qū)域和場有效顯示區(qū)域的邏輯與值為1時，才能在顯示設備上顯示。行、場消隱信號的邏輯與為復合消隱信號，處于復合消隱階段的信號不能在顯示設備上顯示。

　　2.4 存儲功能模塊

　　存儲功能模塊的主要功能是存儲文字信息，其存儲媒介為FPGA內(nèi)部的硬核塊RAM，塊RAM是以硬核的方式內(nèi)嵌到FPGA芯片中的，不占用芯片的邏輯資源，是FPGA芯片內(nèi)部的一種寶貴資源。FPGA內(nèi)嵌的塊RAM組件可配置為單口RAM、雙口RAM、分布式ROM、塊ROM、內(nèi)容地址存儲器CAM和先進先出存儲器FIFO等存儲結構 J。

　　本文中所做實驗只進行文字顯示，所以可以使用單口RAM存儲文字信息，如果想實現(xiàn)更復雜的設計如：文字的滾動顯示、圖片的動畫顯示等可以使用雙口RA M進行設計。實驗使用開發(fā)軟件XinlinxISE中的IP核生成工具CORE Generator生成實驗用的單口RAM，并將其要顯示的文字信息初始化到RAM中。實驗設置顯示7個漢字，每個漢字為16×16點陣，所以RAM的數(shù)據(jù)深度為l6，數(shù)據(jù)寬度為112。在工程項目里利用IP核生成工具生成單口RAM，在生成過程中把RAM的數(shù)據(jù)深度、寬度設置正確，并把事先做好的.coe文件即漢字的字模信息初始化到RAM中。

　　2.5 RA M讀取控制模塊

　　RAM讀取控制模塊是VGA顯示設備和存儲數(shù)據(jù)信息的RA M之間通道，為了使VGA顯示設備能夠準確的顯示文字圖像信息，必須嚴格遵循顯示設備的掃描規(guī)律，產(chǎn)生相應的顯示信息。塊RAM中的存儲地址是由0到16 組成的一維的連續(xù)地址空間，實驗顯示的是由7個漢字組成的16×16的點陣，如果把這7個漢字看成一個整體，那么這個整體將占用112×16個像素點。本模塊包括以下3部分內(nèi)容：取出漢字字模信息，行、場計數(shù)器和坐標定位設計。

　　顯示漢字必須首先把漢字的字模信息提取出來，可以利用一個深度為16的寄存器將RAM中的漢字字模信息暫存，待字符位置定位后再從寄存器中取出相應顯示信息產(chǎn)生漢字字模信息的數(shù)據(jù)流;用行列計數(shù)器確定坐標點，并用坐標的位置來確定文字顯示位置，其實現(xiàn)與VGA時序控制中的行、場計數(shù)器一致;漢字顯示區(qū)域實驗從屏幕的坐標點(400，240)到坐標點(512，256)區(qū)域內(nèi)顯示字符。

　　當坐標計數(shù)器刷新到坐標點(400，240)時就要相應地取寄存器地址中的第1個數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生漢字的第1行點陣信息的數(shù)據(jù)流，直到坐標點 (512，240)時結束第1行的顯示，當坐標計數(shù)器刷新到坐標點(400，241)時就要取出寄存器中顯示漢字的第2行點陣信息，直到坐標點 (512，241)時結束第2行的顯示，同理直到到達坐標點(512，256)時結束字符顯示。本模塊產(chǎn)生的字符數(shù)據(jù)流將交由頂層模塊來控制其顯示顏色。

　　3、系統(tǒng)實驗

　　3.1 實驗環(huán)境開發(fā)工具：Xilinx ISE 9.2i;開發(fā)語言：Verilog;仿真工具：Xilinx ISE 9.2i Simulator;實驗開發(fā)板：Xinlinx公司的Spartan一3E。

　　3.2 仿真結果

　　利用ISE內(nèi)部的仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真。由仿真可以看出行、場同步(hsync、vsync)信號都有效(值為1)，且行、場都處于可視區(qū)域內(nèi)(水平有效顯示區(qū)寬度與垂直有效顯示區(qū)寬度邏輯與的區(qū)域為可視區(qū)域 )，輸出使能信號vailid值為1，此時可以輸出漢字信息，可以看出，當輸出條件滿足時，從SRAM中獲取漢字信息，并將其輸出，當有漢字輸出時 vga—r值為1，即輸出漢字顏色為紅色，無漢字輸出時為背景色藍色。

　　3.3 實驗結果

　　對實驗進行調(diào)試，將編程數(shù)據(jù)下載到FPGA芯片中，再由顯示器將漢字輸出。本實驗只做了一句話的實驗測試，如果要實現(xiàn)更多字符顯示，可以將更多字符信息存儲到RAM字符信息庫中，調(diào)取RAM中的信息進行顯示即可。

　　4、結束語

　　用FPGA來控制VGA顯示，可以克服使用通用處理器設計系統(tǒng)所帶來的不便和缺點。使用塊RAM存儲漢字信息，不占用芯片的邏輯資源，不僅能保證較高的工作頻率，而且還具有很低的動態(tài)功耗。實驗實現(xiàn)了基于FPGA的漢字顯示，方便了漢字信息的寫入及內(nèi)容的修改，可使?jié)h字的顯示脫離 Pc機控制，減少控制器的體積，對于小型嵌入式系統(tǒng)及各種便攜式設備實現(xiàn)漢字顯示具有重要的現(xiàn)實意義和工程實用價值。

　　拓展：

　　論文格式與要求

　　一般而言，非211、985學校的本科畢業(yè)論文字數(shù)在6000-8000左右(工程類需要制圖的專業(yè)則會超過這個數(shù)字)，而一些要求較高或者重點學校則要求論文字數(shù)在1萬左右或以上，總之各個學校在論文字數(shù)上的規(guī)定都有細微的差異。

　　一、本科生畢業(yè)論文主要內(nèi)容

　　1、題目 (宋體，小二，居中)

　　2、中文摘要(200字以上)，關鍵詞;字體：宋體、小四號，字符間距：標準;行距：20磅

　　3、英文摘要，關鍵詞;

　　4、目錄

　　5、正文;字體：宋體、小四號，字符間距：標準;行距：20磅

　　6、參考文獻。期刊內(nèi)容包括：作者 題名，刊名，年，卷(期)：起始頁碼-結束頁碼。著作內(nèi)容包括：作者、編者，文獻題名，出版社，出版年份，起止頁碼。

　　7、附件：開題報告和檢查情況記錄表

　　二、格式要求

　　1、書寫格式要求：填寫項目必須用碳素或藍黑墨水鋼筆書寫;

　　2、文稿要求：文字通順，語言流暢，版面整潔，便于裝訂。Word文稿A4紙打印。

　　3、圖紙要求：圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標準規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫;

　　4、曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、流程圖、程序框圖、示意圖等不得簡單徒手畫，須按國家規(guī)范標準或工程要求繪制;

　　5、公式要求：所有公式不得徒手書寫，利用Microsoft公式編輯器或Mathtype編輯。

　　三、畢業(yè)論文份量要求：

　　畢業(yè)論文字數(shù)一般不少于1.5萬字或相當信息量。外文文獻閱讀量的具體要求，由指導教師量化。

　　四、畢業(yè)論文規(guī)范審查工作由指導教師具體負責，從畢業(yè)論文質(zhì)、量、形式等規(guī)范方面對論文答辯資格進行審查。審查合格者方能參加答辯。凡質(zhì)、量、形式等方面審查不合格者，應責令其返工，直到達到要求為止，否則不準參加畢業(yè)答辯。對于在校外進行畢業(yè)論文的學生，其論文答辯資格審查回校進行。

　　五、畢業(yè)論文檔案應包括以下內(nèi)容：

　　1、大學畢業(yè)論文(設計)封面(教務處統(tǒng)一印制);

　　2、畢業(yè)論文，包括題目及目錄、開題報告、內(nèi)容提要、正文及相關圖表、參考文獻及其他附件等;

　　3、指導教師、答辯委員會評閱意見、成績評定表;

　　4、其他附件;

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