VGA彩條信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>1． 了解普通顯示器正確顯示的時(shí)序。
2． 了解VHDL產(chǎn)生VGA顯示時(shí)序的方法。
3． 進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)FPGA的認(rèn)識(shí)。
二、 實(shí)驗(yàn)原理
盡管顯示器的新品層出不窮，但CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）的基本工作原理一直沿用了幾十年，直到今天也沒有太大的變化。顯示器是一種復(fù)雜的設(shè)備，其擴(kuò)展性和可靠性也十分驚人，在這一方面，電子控制起了很大的作用，任何機(jī)械都會(huì)有磨損，唯有用電子才能延長(zhǎng)壽命，甚至能適應(yīng)數(shù)千小時(shí)的工作。電子槍是顯示像管的核心，安發(fā)出的電子束擊中光敏材料（熒光屏），刺激熒光粉就能產(chǎn)生圖像。實(shí)際上，電子槍和大體積的、功率強(qiáng)勁的二極管沒有什么區(qū)別，其原理也適用于電視機(jī)和示波器。
CRT分為幾個(gè)部分：Deflection Coil（偏轉(zhuǎn)線圈）用于電子槍發(fā)射器的定位，它能夠產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，通過改變強(qiáng)度來移動(dòng)電子槍。線圈偏轉(zhuǎn)的角度有限，當(dāng)電子束傳播到一個(gè)平坦的表面時(shí)，能量會(huì)輕微的偏移目標(biāo)，僅有部分熒光粉被擊中，四邊的圖像會(huì)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，顯示器生產(chǎn)廠把顯像管做成球形，讓熒光粉充分地接受能量，缺點(diǎn)是屏幕將變得彎曲，電子束射擊由左至右，由上至下的過程稱為刷新，不斷重復(fù)的刷新能保持圖像的持續(xù)性。
顯示器屏幕的色彩是由RGB（紅、綠、藍(lán)）三色光所合成的，我們可通過調(diào)整這三個(gè)基色調(diào)出其它的顏色，在許多圖像處理軟件里都有提供色彩調(diào)配功能，你可輸入三基色的數(shù)值來調(diào)配顏色，也可直接根據(jù)軟件提供的調(diào)色板來選擇顏色。在這一部分的功能上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用專用的編解碼芯片來完成。其具體實(shí)現(xiàn)、原理我們將在以后的實(shí)驗(yàn)中做詳細(xì)的說明。在本實(shí)驗(yàn)中只用到了RGB三基色來組成八種顏色構(gòu)成彩條信號(hào)。
VGA顯示器在顯示過程中主要由五個(gè)信號(hào)來控制，分別是R、G、B、HS和VS。其中R、G、B分別用來驅(qū)動(dòng)顯示器三個(gè)基色的顯示，即紅、綠和籃，HS是行同步信號(hào)，VS是場(chǎng)同步信號(hào)。在做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于沒有任何顯示器驅(qū)動(dòng)，所以顯示器工作在默認(rèn)狀態(tài)，分辨率：640×480，刷新率：60Hz。在此狀態(tài)下，當(dāng)VS和HS都為低電平時(shí)，VGA顯示器顯示亮的狀態(tài)，其正向掃描過程約為26us。當(dāng)一行掃描結(jié)束后，行同步信號(hào)HS置高電平，持續(xù)約6us后，變成低電平，在HS為高電平期間，顯示器產(chǎn)生消隱信號(hào)，這就是顯示器回掃的過程。當(dāng)掃描完一場(chǎng)后，也就是掃描完480行以后，場(chǎng)同步信號(hào)VS置高電平，產(chǎn)生場(chǎng)同步，此同步信號(hào)可以使掃描線回到顯示器的第一行第一列位置。顯示器顯示的時(shí)序圖如下圖4-18-1所示：
圖4-18-1 CRT顯示器時(shí)序
上圖中T1為同步消隱信號(hào)，約為6us脈寬，T2為行顯示過程，約為26us，T3為行同步信號(hào)，寬度為兩個(gè)行同步周期，T4為顯示時(shí)間，約為480行周期。
三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
本實(shí)驗(yàn)要完成的任務(wù)就是通過FPGA在顯示器上顯示一些條紋或圖案，要求CRT顯示器上能夠顯示橫條紋、豎條紋以及棋盤格子圖案。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)時(shí)鐘選擇時(shí)鐘模塊的12MHz，用一個(gè)按鍵模塊的BT1來控制顯示模式，每按下一次，屏幕上的圖案改變一次，依次為橫條紋、豎條紋以及棋盤格子圖案。實(shí)驗(yàn)的輸出就直接輸出到VGA接口，通過CRT顯示器顯示出來。
四、 實(shí)驗(yàn)步驟
1、打開QUARTUSII軟件，新建一個(gè)工程。
2、建完工程之后，再新建一個(gè)VHDL File，打開VHDL編輯器對(duì)話框。
3、按照實(shí)驗(yàn)原理和自己的想法，在VHDL編輯窗口編寫VHDL程序，用戶可參照光盤中提供的示例程序。
4、編寫完VHDL程序后，保存起來。方法同實(shí)驗(yàn)一。
5、對(duì)自己編寫的VHDL程序進(jìn)行編譯并仿真，對(duì)程序的錯(cuò)誤進(jìn)行修改。
6、編譯仿真無誤后，根據(jù)用戶自己的要求進(jìn)行管腳分配。分配完成后，再進(jìn)行全編譯一次，以使管腳分配生效。
7、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將上面管腳分配的FPGA管腳與對(duì)應(yīng)的模塊連接起來。
如果是調(diào)用的本書提供的VHDL代碼，則實(shí)驗(yàn)連線如下：
CLK：FPGA時(shí)鐘，接數(shù)字時(shí)鐘CLOCK1，并將其設(shè)為12MHZ。
KEY：顯示模式選擇信號(hào)，接一個(gè)按鍵開關(guān)。
R、G、B、HS、VS: VGA控制信號(hào)，接VGA模塊的R、G、B、HS、VS端口。
8、用下載電纜通過JTAG口將對(duì)應(yīng)的sof文件加載到FPGA中。觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與自己的編程思想一致。
五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象
以設(shè)計(jì)的參考示例為例，當(dāng)設(shè)計(jì)文件加載到目標(biāo)器件后，將顯示器與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)視頻輸入輸出模塊的VGA接口連接起來，數(shù)字信號(hào)源的時(shí)鐘選擇為12MHZ。此時(shí)連接的VGA顯示屏上將會(huì)出現(xiàn)縱向的彩條信號(hào)。按下核心板上的復(fù)位按鍵RST鍵將會(huì)改變?yōu)闄M彩條和方格彩條。
六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告
1、繪出仿真波形，并作說明。
2、將實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)過程、編譯仿真波形和分析結(jié)果、硬件測(cè)試結(jié)果記錄下來。
3、試編寫其它圖形的VGA顯示的程序。