淺談VGA彩條信號發生器的設計實驗

時間：2024-06-11 10:31:36

一、  實驗目的
1．了解普通顯示器正確顯示的時序。
2．了解VHDL產生VGA顯示時序的方法。
3．進一步加強對FPGA的認識。
二、  實驗原理
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。顯示器是一種復雜的設備，其擴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，任何機械都會有磨損，唯有用電子才能延長壽命，甚至能適應數千小時的工作。電子槍是顯示像管的核心，安發出的電子束擊中光敏材料（熒光屏），刺激熒光粉就能產生圖像。實際上，電子槍和大體積的、功率強勁的二極管沒有什么區別，其原理也適用于電視機和示波器。
CRT分為幾個部分：Deflection  Coil（偏轉線圈）用于電子槍發射器的定位，它能夠產生一個強磁場，通過改變強度來移動電子槍。線圈偏轉的角度有限，當電子束傳播到一個平坦的表面時，能量會輕微的偏移目標，僅有部分熒光粉被擊中，四邊的圖像會產生彎曲現象。為了解決這個問題，顯示器生產廠把顯像管做成球形，讓熒光粉充分地接受能量，缺點是屏幕將變得彎曲，電子束射擊由左至右，由上至下的過程稱為刷新，不斷重復的刷新能保持圖像的持續性。
顯示器屏幕的色彩是由RGB（紅、綠、藍）三色光所合成的，我們可通過調整這三個基色調出其它的顏色，在許多圖像處理軟件里都有提供色彩調配功能，你可輸入三基色的數值來調配顏色，也可直接根據軟件提供的調色板來選擇顏色。在這一部分的功能上實驗系統采用專用的編解碼芯片來完成。其具體實現、原理我們將在以后的實驗中做詳細的說明。在本實驗中只用到了RGB三基色來組成八種顏色構成彩條信號。
VGA顯示器在顯示過程中主要由五個信號來控制，分別是R、G、B、HS和VS。其中R、G、B分別用來驅動顯示器三個基色的顯示，即紅、綠和籃，HS是行同步信號，VS是場同步信號。在做本實驗時，由于沒有任何顯示器驅動，所以顯示器工作在默認狀態，分辨率：640×480，刷新率：60Hz。在此狀態下，當VS和HS都為低電平時，VGA顯示器顯示亮的狀態，其正向掃描過程約為26us。當一行掃描結束后，行同步信號HS置高電平，持續約6us后，變成低電平，在HS為高電平期間，顯示器產生消隱信號，這就是顯示器回掃的過程。當掃描完一場后，也就是掃描完480行以后，場同步信號VS置高電平，產生場同步，此同步信號可以使掃描線回到顯示器的第一行第一列位置。顯示器顯示的時序圖如下圖5-18-1所示：

圖5-18-1  CRT顯示器時序
上圖中T1為同步消隱信號，約為6us脈寬，T2為行顯示過程，約為26us，T3為行同步信號，寬度為兩個行同步周期，T4為顯示時間，約為480行周期。
三、  實驗內容
      本實驗要完成的任務就是通過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。實驗中系統時鐘選擇時鐘模塊的12MHz，用一個按鍵模塊的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。實驗的輸出就直接輸出到VGA接口，通過CRT顯示器顯示出來。
四、  實驗步驟
1、打開QUARTUSII軟件，新建一個工程。
2、建完工程之后，再新建一個VHDL File，打開VHDL編輯器對話框。
3、按照實驗原理和自己的想法，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。方法同實驗一。
5、對自己編寫的VHDL程序進行編譯并仿真，對程序的錯誤進行修改。
6、編譯仿真無誤后，根據用戶自己的要求進行管腳分配。分配完成后，再進行全編譯一次，以使管腳分配生效。
7、根據實驗內容用實驗導線將上面管腳分配的FPGA管腳與對應的模塊連接起來。
如果是調用的本書提供的VHDL代碼，則實驗連線如下：
CLK：FPGA時鐘，接數字時鐘CLOCK1，并將其設為12MHZ。
KEY：顯示模式選擇信號，接一個按鍵開關。
R、G、B、HS、VS: VGA控制信號，接VGA模塊的R、G、B、HS、VS端口。
8、用下載電纜通過JTAG口將對應的sof文件加載到FPGA中。觀察實驗結果是否與自己的編程思想一致。
五、  實驗結果與現象
以設計的參考示例為例，當設計文件加載到目標器件后，將顯示器與實驗系統視頻輸入輸出模塊的VGA接口連接起來，數字信號源的時鐘選擇為12MHZ。此時連接的VGA顯示屏上將會出現縱向的彩條信號。按下核心板上的復位按鍵RST鍵將會改變為橫彩條和方格彩條。
六、  實驗報告
1、繪出仿真波形，并作說明。
2、將實驗原理、設計過程、編譯仿真波形和分析結果、硬件測試結果記錄下來。
3、試編寫其它圖形的VGA顯示的程序。

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