浅论FPGA的VGA汉字显示系统设计与实现

摘要：提出一种基于Xilinx公司的Spartan一3E的FPGA显示方案，由于FPGA芯片具有可靠性高、编程灵活、体积小等优点，采用其控制 VGA接口进行汉字显示，有效地解决了通用处理器控制VGA接口显示汉字的缺点。对新方案进行理论分析和实验，结果证明该方案达到了预期效果。

关键词：显示绘图陈列;现场可编程门陈列;VGA汉字显示

随着科技的发展，VGA汉字显示系统的应用范围越来越广泛，传统的VGA字符显示方案是通过通用处理器控制VGA接口显示字符信息的，这种显示方案是以通用处理器为核心的处理系统，整个系统体积大、可靠性不高且灵活性差，不适合便携设备的设计。而FPGA芯片具有可靠性高、编程灵活和体积小等特点，因此用FPGA技术来实现VGA汉字显示可以有效解决传统技术中的缺点。

FPGA管脚资源丰富，运行速度快，可以实现大规模的系统设计，而且由于FPGA具有可重构能力和抗干扰能力强等优点，使其越来越多地应用于工业控制领域。利用FPGA控制VGA显示汉字，可使汉字显示脱离Pc机的控制，构建体积小、功耗低的各种嵌入式系统，可应用在人机界面、地面勘测、电子设备、智能仪表和性能监测等方面。

1、VGA汉字显示

VGA的汉字显示是利用VGA的显示原理，使用正确的时序信号对VGA接口相应管脚进行控制输出RGB颜色信息来显示相应的字符信息，其中VGA显示原理及时序信号的控制必须遵循VGA的工业标准。显示处理前端中的SRAM中存储的每一位数据对应相应LCD显示屏上一个像素点的亮和灭，“1”表示亮，“0”表示灭。在显示设备上显示汉字也就是按照汉字的点阵图向显示器上输出1或0的高低电平，从而在显示器上显示出具体的汉字 。

2、VGA显示控制器的FPGA实现

FPGA芯片作为中央控制器控制整个系统的处理，根据自顶向下的设计流程，按照层次化、结构化的设计方法可以将FPGA系统划分为以下几个模块：顶层模块、分频模块、VGA控制模块、存储功能模块和RAM读取控制模块。系统工作原理：系统加电FPGA芯片读人配置信息，配置完成后，FPGA进人工作状态 ，将要显示的汉字的字模信息初始化到单口RAM 中，由系统时钟产生时序，程序根据时序信息控制VGA接口输出行、场同步及颜色信息到显示器上。

2.1 顶层模块

根据自顶向下设计方法，首先定义顶层功能块 。顶层模块处于重要的位置，定义好顶层模块功能后，才能进而分析哪些是构成顶层模块必要的子模块，然后进一步对各个子模块进行分解，直到达到无法进一步分解的底层功能块。顶层模块主要负责规定各个模块之间的数据信号和控制信号的`连接关系，也就是实例化各子模块，并且接收RAM读取控制模块传来的汉字字模信息数据流，根据数据流信息中比特位为1的位赋予红色，为0的位赋予蓝色，即用红色表示汉字，用蓝色来填充背景。

2.2 分频模块

时序的驱动是设计VGA显示的控制需要注意的一个重要问题，这也是实验是否成功的关键设计。时序不正确，必定不能正常显示，有时甚至会损坏显示设备。因此，对于时序的设计我们必须遵循VGA的工业标准，在设计中使用的分辨率为640×480，根据VGA的工业标准，其像素的刷新率为25 MHz。

而实验采用的实验板提供的时钟频率为50 MHz，因此必须将系统进行分频设计，即进行二分频的设计。50 MHz的时钟频率经过分频后得到实验所需的25MHz频率，此频率将作为顶层控制模块，VGA控制模块和RA M读取控制模块的系统时钟。

2.3 VGA控制模块

VGA信号的电平驱动是设计VGA显示的控制需要注意的另一个重要问题，这是正确显示文字图像的重要设计，如果设计不当，那么在显示器上就不能正确显示文字图像。这个模块主要是根据VGA的工业标准进行设计的，用verilog语言将工业标准用程序表示出来。

VGA时序信号产生包括行点计数器x—cnt(计数个数用 表示)、场点计数器y_cnt(计数个数用rt 表示)、行同步信号hsync、场同步信号vsync、有效显示区Visible area等。其中行点计数器是800进制计数器，场点计数器是525进制计数器。根据VGA时序的工业标准行、场同步信号有4种状态：同步脉冲信号 (Sync)，显示后沿信号(Back Porch)，可视显示区(Visible area)，显示前沿(Front Porch)。

这4种状态具有很清晰的时序规律，可以用有限状态机来实现这4种状态的转换，用h_state来表示行同步状态机的4种状态：h_sync，h_back，h_visible，h_front;v_ state来表示场同步状态机的4种状态：v—sync，v_back，v_ visible，v_ front。行、场计数器的值决定了状态机在何时进行状态翻转。

行状态机复位时，进入行同步状态h_sync，此时行同步信号输出低电平;当行计数器的计数值达到96时，状态机翻转进人行消隐后沿h_back状态，此时仍为消隐阶段;当行计数器的计数值达到144时，状态机翻转进入h_visible状态，它对应每行的有效显示区域，共包含640点，在此区域以外的任何部分都不被显示;当行计数器的计数值达到784时，状态机进入行消隐前沿h_front状态，此时处于消隐阶段。当行计数器计数值达到799时，行状态机进入h_sync状态，同时行计数器的复位信号为高电平，计数器复位。

与行有限状态机状态转移类似，需要注意的是行扫描是从左到右地扫描显示，而场扫描是自上而下地扫描显示，显示区域中行与场确定的一个坐标位置为一个像素点，并且只有在行、场状态都为有效可视状态(h_visibl~=1且v—visible=1)时，即行有效显示区域和场有效显示区域的逻辑与值为1 时，才能在显示设备上显示。行、场消隐信号的逻辑与为复合消隐信号 ，处于复合消隐阶段的信号不能在显示设备上显示 。

2.4 存储功能模块

存储功能模块的主要功能是存储文字信息，其存储媒介为FPGA内部的硬核块RAM，块RAM是以硬核的方式内嵌到FPGA芯片中的，不占用芯片的逻辑资源，是FPGA芯片内部的一种宝贵资源。FPGA内嵌的块RAM组件可配置为单口RAM、双口RAM、分布式ROM、块ROM、内容地址存储器CAM和先进先出存储器FIFO等存储结构 J。

本文中所做实验只进行文字显示，所以可以使用单口RAM存储文字信息，如果想实现更复杂的设计如：文字的滚动显示、图片的动画显示等可以使用双口RA M进行设计。实验使用开发软件XinlinxISE中的IP核生成工具CORE Generator生成实验用的单口RAM，并将其要显示的文字信息初始化到RAM中。实验设置显示7个汉字，每个汉字为16×16点阵，所以RAM的数据深度为l6，数据宽度为112。在工程项目里利用IP核生成工具生成单口RAM，在生成过程中把RAM的数据深度、宽度设置正确，并把事先做好的文件即汉字的字模信息初始化到RAM中。