淺論FPGA的VGA漢字顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文

　　在日常學(xué)習(xí)和工作中，大家都接觸過(guò)論文吧，通過(guò)論文寫(xiě)作可以提高我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。相信寫(xiě)論文是一個(gè)讓許多人都頭痛的問(wèn)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(shè)計(jì)與實(shí)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(diǎn)，采用其控制 VGA接口進(jìn)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(diǎn)。對(duì)新方案進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該方案達(dá)到了預(yù)期效果。

　　關(guān)鍵詞：

　　顯示繪圖陳列；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的VGA字符顯示方案是通過(guò)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(gè)系統(tǒng)體積大、可靠性不高且靈活性差，不適合便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)。而FPGA芯片具有可靠性高、編程靈活和體積小等特點(diǎn)，因此用FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)VGA漢字顯示可以有效解決傳統(tǒng)技術(shù)中的缺點(diǎn)。

　　FPGA管腳資源豐富，運(yùn)行速度快，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且由于FPGA具有可重構(gòu)能力和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。利用FPGA控制VGA顯示漢字，可使?jié)h字顯示脫離Pc機(jī)的控制，構(gòu)建體積小、功耗低的各種嵌入式系統(tǒng)，可應(yīng)用在人機(jī)界面、地面勘測(cè)、電子設(shè)備、智能儀表和性能監(jiān)測(cè)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(shí)序信號(hào)對(duì)VGA接口相應(yīng)管腳進(jìn)行控制輸出RGB顏色信息來(lái)顯示相應(yīng)的字符信息，其中VGA顯示原理及時(shí)序信號(hào)的控制必須遵循VGA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。顯示處理前端中的SRAM中存儲(chǔ)的每一位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)LCD顯示屏上一個(gè)像素點(diǎn)的亮和滅，“1”表示亮，“0”表示滅。在顯示設(shè)備上顯示漢字也就是按照漢字的點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

　　FPGA芯片作為中央控制器控制整個(gè)系統(tǒng)的處理，根據(jù)自頂向下的設(shè)計(jì)流程，按照層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法可以將FPGA系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)模塊：頂層模塊、分頻模塊、VGA控制模塊、存儲(chǔ)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(jìn)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(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)序，程序根據(jù)時(shí)序信息控制VGA接口輸出行、場(chǎng)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(shè)計(jì)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(jìn)而分析哪些是構(gòu)成頂層模塊必要的子模塊，然后進(jìn)一步對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行分解，直到達(dá)到無(wú)法進(jìn)一步分解的底層功能塊。頂層模塊主要負(fù)責(zé)規(guī)定各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的連接關(guān)系，也就是實(shí)例化各子模塊，并且接收RAM讀取控制模塊傳來(lái)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(lán)色，即用紅色表示漢字，用藍(lán)色來(lái)填充背景。

　　2.2 分頻模塊

　　時(shí)序的驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)VGA顯示的控制需要注意的一個(gè)重要問(wèn)題，這也是實(shí)驗(yàn)是否成功的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。時(shí)序不正確，必定不能正常顯示，有時(shí)甚至?xí)�損壞顯示設(shè)備。因此，對(duì)于時(shí)序的設(shè)計(jì)我們必須遵循VGA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中使用的分辨率為640×480，根據(jù)VGA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其像素的刷新率為25MHz。

　　而實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)板提供的時(shí)鐘頻率為50MHz，因此必須將系統(tǒng)進(jìn)行分頻設(shè)計(jì)，即進(jìn)行二分頻的設(shè)計(jì)。50MHz的時(shí)鐘頻率經(jīng)過(guò)分頻后得到實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘。

　　2.3 VGA控制模塊

　　VGA信號(hào)的電平驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)VGA顯示的控制需要注意的另一個(gè)重要問(wèn)題，這是正確顯示文字圖像的重要設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，那么在顯示器上就不能正確顯示文字圖像。這個(gè)模塊主要是根據(jù)VGA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，用verilog語(yǔ)言將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用程序表示出來(lái)。

　　VGA時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生包括行點(diǎn)計(jì)數(shù)器x—cnt(計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)用 表示)、場(chǎng)點(diǎn)計(jì)數(shù)器y—cnt(計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)用rt 表示)、行同步信號(hào)hsync、場(chǎng)同步信號(hào)vsync、有效顯示區(qū)Visible area等。其中行點(diǎn)計(jì)數(shù)器是800進(jìn)制計(jì)數(shù)器，場(chǎng)點(diǎn)計(jì)數(shù)器是525進(jìn)制計(jì)數(shù)器。根據(jù)VGA時(shí)序的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行、場(chǎng)同步信號(hào)有4種狀態(tài)：同步脈沖信號(hào) (Sync)，顯示后沿信號(hào)(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(shí)序規(guī)律，可以用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這4種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，用h—state來(lái)表示行同步狀態(tài)機(jī)的4種狀態(tài)：h—sync，h—back，h—visible，h—front;v—state來(lái)表示場(chǎng)同步狀態(tài)機(jī)的4種狀態(tài)：v—sync，v—back，v— visible，v— front。行、場(chǎng)計(jì)數(shù)器的值決定了狀態(tài)機(jī)在何時(shí)進(jìn)行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。

　　行狀態(tài)機(jī)復(fù)位時(shí)，進(jìn)入行同步狀態(tài)h—sync，此時(shí)行同步信號(hào)輸出低電平;當(dāng)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到96時(shí)，狀態(tài)機(jī)翻轉(zhuǎn)進(jìn)人行消隱后沿h—back狀態(tài)，此時(shí)仍為消隱階段;當(dāng)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到144時(shí)，狀態(tài)機(jī)翻轉(zhuǎn)進(jìn)入h—visible狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)每行的有效顯示區(qū)域，共包含640點(diǎn)，在此區(qū)域以外的任何部分都不被顯示;當(dāng)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到784時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入行消隱前沿h—front狀態(tài)，此時(shí)處于消隱階段。當(dāng)行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值達(dá)到799時(shí)，行狀態(tài)機(jī)進(jìn)入h—sync狀態(tài)，同時(shí)行計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號(hào)為高電平，計(jì)數(shù)器復(fù)位。

　　與行有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移類(lèi)似，需要注意的是行掃描是從左到右地掃描顯示，而場(chǎng)掃描是自上而下地掃描顯示，顯示區(qū)域中行與場(chǎng)確定的一個(gè)坐標(biāo)位置為一個(gè)像素點(diǎn)，并且只有在行、場(chǎng)狀態(tài)都為有效可視狀態(tài)(h—visibl~=1且v—visible=1)時(shí)，即行有效顯示區(qū)域和場(chǎng)有效顯示區(qū)域的邏輯與值為1時(shí)，才能在顯示設(shè)備上顯示。行、場(chǎng)消隱信號(hào)的邏輯與為復(fù)合消隱信號(hào)，處于復(fù)合消隱階段的信號(hào)不能在顯示設(shè)備上顯示。

　　2.4 存儲(chǔ)功能模塊

　　存儲(chǔ)功能模塊的主要功能是存儲(chǔ)文字信息，其存儲(chǔ)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(chǔ)器CAM和先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) J。

　　本文中所做實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行文字顯示，所以可以使用單口RAM存儲(chǔ)文字信息，如果想實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)如：文字的滾動(dòng)顯示、圖片的動(dòng)畫(huà)顯示等可以使用雙口RA M進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)使用開(kāi)發(fā)軟件XinlinxISE中的IP核生成工具CORE Generator生成實(shí)驗(yàn)用的單口RAM，并將其要顯示的文字信息初始化到RAM中。實(shí)驗(yàn)設(shè)置顯示7個(gè)漢字，每個(gè)漢字為16×16點(diǎn)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(xiàng)目里利用IP核生成工具生成單口RAM，在生成過(guò)程中把RAM的數(shù)據(jù)深度、寬度設(shè)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(shè)備和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的RA M之間通道，為了使VGA顯示設(shè)備能夠準(zhǔn)確的顯示文字圖像信息，必須嚴(yán)格遵循顯示設(shè)備的掃描規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示信息。塊RAM中的存儲(chǔ)地址是由0到16 組成的一維的連續(xù)地址空間，實(shí)驗(yàn)顯示的是由7個(gè)漢字組成的16×16的點(diǎn)陣，如果把這7個(gè)漢字看成一個(gè)整體，那么這個(gè)整體將占用112×16個(gè)像素點(diǎn)。本模塊包括以下3部分內(nèi)容：取出漢字字模信息，行、場(chǎng)計(jì)數(shù)器和坐標(biāo)定位設(shè)計(jì)。

　　顯示漢字必須首先把漢字的字模信息提取出來(lái)，可以利用一個(gè)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?gòu)募拇嫫髦腥〕鱿鄳?yīng)顯示信息產(chǎn)生漢字字模信息的數(shù)據(jù)流;用行列計(jì)數(shù)器確定坐標(biāo)點(diǎn)，并用坐標(biāo)的位置來(lái)確定文字顯示位置，其實(shí)現(xiàn)與VGA時(shí)序控制中的行、場(chǎng)計(jì)數(shù)器一致;漢字顯示區(qū)域?qū)嶒?yàn)從屏幕的坐標(biāo)點(diǎn)(400，240)到坐標(biāo)點(diǎn)(512，256)區(qū)域內(nèi)顯示字符。

　　當(dāng)坐標(biāo)計(jì)數(shù)器刷新到坐標(biāo)點(diǎn)(400，240)時(shí)就要相應(yīng)地取寄存器地址中的第1個(gè)數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生漢字的第1行點(diǎn)陣信息的數(shù)據(jù)流，直到坐標(biāo)點(diǎn) (512，240)時(shí)結(jié)束第1行的顯示，當(dāng)坐標(biāo)計(jì)數(shù)器刷新到坐標(biāo)點(diǎn)(400，241)時(shí)就要取出寄存器中顯示漢字的第2行點(diǎn)陣信息，直到坐標(biāo)點(diǎn) (512，241)時(shí)結(jié)束第2行的顯示，同理直到到達(dá)坐標(biāo)點(diǎn)(512，256)時(shí)結(jié)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(lái)控制其顯示顏色。

　　3、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

　　3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境開(kāi)發(fā)工具：Xilinx ISE 9.2i;開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：Verilog;仿真工具：Xilinx ISE 9.2i Simulator;實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板：Xinlinx公司的Spartan一3E。

　　3.2 仿真結(jié)果

　　利用ISE內(nèi)部的仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。由仿真可以看出行、場(chǎng)同步(hsync、vsync)信號(hào)都有效(值為1)，且行、場(chǎng)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?yàn)榭梢晠^(qū)域 )，輸出使能信號(hào)vailid值為1，此時(shí)可以輸出漢字信息，可以看出，當(dāng)輸出條件滿(mǎn)足時(shí)，從SRAM中獲取漢字信息，并將其輸出，當(dāng)有漢字輸出時(shí) vga—r值為1，即輸出漢字顏色為紅色，無(wú)漢字輸出時(shí)為背景色藍(lán)色。

　　3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)只做了一句話(huà)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如果要實(shí)現(xiàn)更多字符顯示，可以將更多字符信息存儲(chǔ)到RAM字符信息庫(kù)中，調(diào)取RAM中的信息進(jìn)行顯示即可。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　用FPGA來(lái)控制VGA顯示，可以克服使用通用處理器設(shè)計(jì)系統(tǒng)所帶來(lái)的不便和缺點(diǎn)。使用塊RAM存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)功耗。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的漢字顯示，方便了漢字信息的寫(xiě)入及內(nèi)容的修改，可使?jié)h字的顯示脫離 Pc機(jī)控制，減少控制器的體積，對(duì)于小型嵌入式系統(tǒng)及各種便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)漢字顯示具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程實(shí)用價(jià)值。

　　拓展：

　　論文格式與要求

　　一般而言，非211、985學(xué)校的本科畢業(yè)論文字?jǐn)?shù)在6000-8000左右(工程類(lèi)需要制圖的專(zhuān)業(yè)則會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)字)，而一些要求較高或者重點(diǎn)學(xué)校則要求論文字?jǐn)?shù)在1萬(wàn)左右或以上，總之各個(gè)學(xué)校在論文字?jǐn)?shù)上的規(guī)定都有細(xì)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(guān)鍵詞;字體：宋體、小四號(hào)，字符間距：標(biāo)準(zhǔn);行距：20磅

　　3、英文摘要，關(guān)鍵詞;

　　4、目錄

　　5、正文;字體：宋體、小四號(hào)，字符間距：標(biāo)準(zhǔn);行距：20磅

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

　　7、附件：開(kāi)題報(bào)告和檢查情況記錄表

　　二、格式要求

　　1、書(shū)寫(xiě)格式要求：填寫(xiě)項(xiàng)目必須用碳素或藍(lán)黑墨水鋼筆書(shū)寫(xiě);

　　2、文稿要求：文字通順，語(yǔ)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(xiàn)條粗細(xì)均勻，圓弧連接光滑，尺寸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě);

　　4、曲線(xiàn)圖表要求：所有曲線(xiàn)、圖表、線(xiàn)路圖、流程圖、程序框圖、示意圖等不得簡(jiǎn)單徒手畫(huà)，須按國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或工程要求繪制;

　　5、公式要求：所有公式不得徒手書(shū)寫(xiě)，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?jǐn)?shù)一般不少于1.5萬(wàn)字或相當(dāng)信息量。外文文獻(xiàn)閱讀量的具體要求，由指導(dǎo)教師量化。

　　四、畢業(yè)論文規(guī)范審查工作由指導(dǎo)教師具體負(fù)責(zé)，從畢業(yè)論文質(zhì)、量、形式等規(guī)范方面對(duì)論文答辯資格進(jìn)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(yīng)責(zé)令其返工，直到達(dá)到要求為止，否則不準(zhǔn)參加畢業(yè)答辯。對(duì)于在校外進(jìn)行畢業(yè)論文的學(xué)生，其論文答辯資格審查回校進(jìn)行。

　　五、畢業(yè)論文檔案應(yīng)包括以下內(nèi)容：

　　1、大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))封面(教務(wù)處統(tǒng)一印制);

　　2、畢業(yè)論文，包括題目及目錄、開(kāi)題報(bào)告、內(nèi)容提要、正文及相關(guān)圖表、參考文獻(xiàn)及其他附件等;

　　3、指導(dǎo)教師、答辯委員會(huì)評(píng)閱意見(jiàn)、成績(jī)?cè)u(píng)定表;

　　4、其他附件;

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