FPGA基础设计之VGA显示方法（文字、图形、波形）

概述

VGA是一种学习FPGA最常见的基础实验。虽然现在的显示屏大多已经采用DVI和HDMI方案，但其实VGA在另一个地方还有应用，那就是大屏的LCD。目前4.3寸以上的TFT基本都是VGA接口，这样在完成一个FPGA系统设计时，选择一个VGA接口的TFT用来显示便是最简单方便的方案。

现在2017年全国大学生电子设计大赛还有不到一个月，熟练的使用VGA显示各种图形、文字、波形还是很重要的，而不是停留在只能显示彩条的入门实验上。这篇博文便致力于解决这个问题。

VGA显示驱动

目前常见的电路板上的VGA接口是这样的，单独使用R、G、B三条线控制颜色：

或者是这样的，增加一个电阻网络来使可以控制的颜色更加丰富：

现在应该很少会看到专门使用VGA驱动芯片的了。使用电阻网络已经能获得不错的显示效果。FPGA需要处理的信号有行同步信号HSYNC和场同步信号VSYNC，以及R、G、B三组颜色控制信号。在驱动VGA之前，我们首先要确定自己的显示参数，分辨率及刷新率，比如800*600@60Hz的显示方式其时序参数如下所示：

不同的分辨率和刷新率有不同的参数，这个数据可以在这个网页中查到。进下来就进行VGA的时序驱动，我的习惯是先将关键性数据用parameter定义出来：

//-------------------------------------------------//

// 扫描参数的设定 640*480 60Hz VGA

//-------------------------------------------------//

parameter H_SYNC_END = 96; //行同步脉冲结束时间

parameter V_SYNC_END = 2; //列同步脉冲结束时间

parameter H_SYNC_TOTAL = 800; //行扫描总像素单位

parameter V_SYNC_TOTAL = 525; //列扫描总像素单位

parameter H_SHOW_START = 144; //显示区行开始像素点

parameter V_SHOW_START = 35; //显示区列开始像素点

VGA的时序驱动部分是相当固定的，只要我们使用VGA，肯定会加入下面这段代码。主要方法是定义两个计数器，一个管理行扫描，一个管理列扫描；当行扫描计数器扫描完行同步脉冲后置高HSYNC信号；同理，当列扫描计数器扫描完列同步脉冲后置高VSYNC信号。

//水平扫描

always@（posedge clk_25M or negedge RSTn）

if（！RSTn） x_cnt 《= ‘d0;

else if （x_cnt == H_SYNC_TOTAL） x_cnt 《= ’d0;

else x_cnt 《= x_cnt + 1‘b1;

//垂直扫描

always@（posedge clk_25M or negedge RSTn）

if（！RSTn） y_cnt 《= ’d0;

else if （y_cnt == V_SYNC_TOTAL） y_cnt 《= ‘d0;

else if （x_cnt == H_SYNC_TOTAL） y_cnt 《= y_cnt + 1’b1;

else y_cnt 《= y_cnt;

//H_SYNC信号

always@（posedge clk_25M or negedge RSTn）

if（！RSTn） hsync 《= ‘d0;

else if （x_cnt == ’d0） hsync 《= 1‘b0;

else if （x_cnt == H_SYNC_END） hsync 《= 1’b1;

else hsync 《= hsync;

//_SYNC信号

always@（posedge clk_25M or negedge RSTn）

if（！RSTn） vsync 《= ‘d0;

else if （y_cnt == ’d0） vsync 《= 1‘b0;

else if （y_cnt == V_SYNC_END） vsync 《= 1’b1;

else vsync 《= vsync;

由于VGA需要一个时钟来管理扫描的速度，因此这个时钟大小就应当为扫面面积*刷新率，如上例中的640*480@60Hz的显示方式需要的VGA时钟大小为800*525*60=25.2MHz（扫描时不仅包括显示区域，还有同步脉冲、显示前沿和显示后沿，因此整个区域要大于分辨率）。VGA时钟可以用PLL或分频等方法产生，通常要求不会太严苛，上例取整为25MHz即可。

为了后面的显示方便，一种实用的方法是再定义两个寄存器，专门存储显示区域的坐标，即以可以显示的第一个像素点为坐标（0，0）。

assign x_pos = x_cnt - H_SHOW_START;

assign y_pos = y_cnt - V_SHOW_START;

这样上例中行扫描计数器和列扫描计数器的范围分别为800和525，而显示区域的坐标x_pos和y_pos范围只有640和480。

VGA显示图形、波形、文字

其实在得到了显示区域的坐标后，我们控制显示图像的方法就是当计数器扫描到指定位置后，为R、G、B三组信号赋值得到对应的图形。以前面写的“FPGA综合系统设计（一）：贪吃蛇游戏（VGA+键盘）”这个工程中的显示部分代码为例：

always@（posedge clk_25M）

if （area） //坐标处于显示分数的区域内，80*80

begin

case（pop）

0： color_out 《= data0 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

1： color_out 《= data1 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

2： color_out 《= data2 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

3： color_out 《= data3 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

4： color_out 《= data4 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

5： color_out 《= data5 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

6： color_out 《= data6 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

7： color_out 《= data7 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

8： color_out 《= data8 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

9： color_out 《= data9 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

10： color_out 《= data10 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

11： color_out 《= data11 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

12： color_out 《= data12 ？ 3‘b111 ： 3’b000;

default ： color_out 《= 3‘b000;

endcase

end

else //坐标处于游戏界面的区域内

begin

lox=x_pos［3:0］; //取偏移坐标

loy=y_pos［3:0］;

/* 根据当前扫描到的点是哪一部分输出相应颜色 */

/*苹果*/

if（x_pos［9:4］==apple_x&&y_pos［9:4］==apple_y）

case（{loy，lox}）

8’b0000_0000:color_out=3‘b000;

default:color_out=3’b001;

endcase

/*背景*/

else if（snake==NONE）

color_out=3‘b000;

/*墙壁*/

else if（snake==WALL）

color_out=3’b101;

/*蛇头与蛇身*/

else if（snake==HEAD|snake==BODY）

case（{lox，loy}）

8‘b0000_0000:color_out=3’b000;

default:color_out=（snake==HEAD）？HEAD_COLOR:BODY_COLOR;

endcase

end

看这个的设计思路，always里我把整个显示区域划分为if（area）和else两个区域，area是用逻辑判断定义好的一个80*80大小的区域，用来显示分数；else则是显示屏的剩下区域， 用来显示游戏。

先看if（area）区域，我事先将各个分数以图片的形式存到了ROM中，所有的ROM接的是一组地址线，每个ROM又有不同的数据线。根据当前的游戏分数，我使用case来决定选择哪个ROM中的图形作为当前区域的输出。这个设计思路用处就大了，比如显示电压、电流、频率等如何让其动态变化，这就是一种好的方法。

再来看else区域，我使用计数器位数之间的关系，来将整个屏幕划分为几个小格子，然后根据格子应当属于哪种游戏元素来决定显示什么颜色，这样整个显示区域就划分为苹果、墙壁、蛇头、蛇身等各个游戏元素。

其实显示波形的方法和else区域显示的方法基本是一样的。假设我要画一段512个点长的频谱，我就可以选择出行计数器扫描中的512个像素点，每一个像素点作为一个频谱点；用同样的方法，我们把列计数器扫描的像素点按一定比例分配给不同的峰值，这样扫描到指定点时输出颜色，看起来就是一个完整的频谱图了。当然如果觉得图形不够连贯，可以用更多像素点来显示，对中间的像素点插值即可。