基于FPGA的VGA/LCD显示控制器设计

导读

VGA (Video Graphics Array) 即视频图形阵列，是IBM于1987年随PS/2机(PersonalSystem 2)一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。但在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域取得了广泛的应用，是众多制造商所共同支持的一个低标准。

LCD （ Liquid Crystal Display 的简称）液晶显示器。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。按照背光源的不同，LCD可以分为CCFL显示器和LED显示器两种。LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分普及。

在之前的文章中介绍了如何获取、处理摄像头提供的视频信号，在实际应用中还需要将经过处理的信号显示在显示器上。这个过程与信号处理中的过程上是相反的，将数字信号按照电视信号的制式组成合乎时序、格式要求的信号，并加入用于控制的各种同步信号。本篇将通过 FPGA实现一个 VGA/LCD 显示控制器的实例，并详细介绍实现过程。

四、程序的仿真与测试

为了检验程序是否实现预先设定的功能，需要编写仿真程序。仿真程序的主要代码如下：

module test;
    //寄存器
    reg clk;
    reg rst;
    //参数
    parameter LINE_FIFO_AWIDTH = 7;
    //wire 申明
    wire int;
    wire [31:0] wb_addr_o;
    wire [31:0] wb_data_i;
    wire [31:0] wb_data_o;
    wire [3:0] wb_sel_o;
    wire wb_we_o;
    wire wb_stb_o;
    wire wb_cyc_o;
    wire [2:0] wb_cti_o;
    wire [1:0] wb_bte_o;
    wire wb_ack_i;
    wire wb_err_i;
    wire [31:0] wb_addr_i;
    wire [31:0] wbm_data_i;
    wire [3:0] wb_sel_i;
    wire wb_we_i;
    wire wb_stb_i;
    wire wb_cyc_i;
    wire wb_ack_o;
    wire wb_rty_o;
    wire wb_err_o;
    reg pclk_i;
    wire pclk;
    wire hsync;
    wire vsync;
    wire csync;
    wire blanc;
    wire [7:0] red;
    wire [7:0] green;
    wire [7:0] blue;
    wire dvi_pclk_p_o;
    wire dvi_pclk_m_o;
    wire dvi_hsync_o;
    wire dvi_vsync_o;
    wire dvi_de_o;
    wire [11:0] dvi_d_o;
    wire vga_stb_i;
    wire clut_stb_i;
    reg scen;
    
    // 测试程序变量
    integer wd_cnt;
    integer error_cnt;
    
    reg [31:0] data;
    reg [31:0] pattern;
    reg int_warn;
    
    integer n;
    integer mode;
    
    reg [7:0] thsync, thgdel;
    reg [15:0] thgate, thlen;
    reg [7:0] tvsync, tvgdel;
    reg [15:0] tvgate, tvlen;
    reg hpol;
    reg vpol;
    reg cpol;
    reg bpol;
    integer p, l;
    reg [31:0] pn;
    reg [31:0] pra, paa, tmp;
    reg [23:0] pd;
    reg [1:0] cd;
    reg pc;
    reg [31:0] vbase;
    reg [31:0] cbase;
    reg [31:0] vbara;
    reg [31:0] vbarb;
    reg [7:0] bank;
    
    // 常量定义
    `define CTRL 32'h0000_0000
    `define STAT 32'h0000_0004
    `define HTIM 32'h0000_0008
    `define VTIM 32'h0000_000c
    `define HVLEN 32'h0000_0010
    `define VBARA 32'h0000_0014
    `define VBARB 32'h0000_0018
    `define USE_VC 1
    parameter PCLK_C = 20;
    
    //测试内容
    initial
        begin
            $timeformat (-9, 1, " ns", 12);
            $display("

");
            $display("******************************************************");
            $display("*VGA/LCD Controller Simulation started ... *");
            $display("******************************************************");
            $display("
");
            
    `ifdef WAVES
        $shm_open("waves");
        $shm_probe("AS",test,"AS");
        $display("INFO: Signal dump enabled ...

");
  
    `endif
        scen = 0;
        error_cnt = 0;
        clk = 0;
        pclk_i = 0;
        rst = 0;
        int_warn=1;
        repeat(20) @(posedge clk);
        rst = 1;
        repeat(20) @(posedge clk);
        
    if(0)
        begin
        
        end
    else
    if(1)
        begin
        
    `ifdef VGA_12BIT_DVI
        dvi_pd_test;
    `endif
    
        end
    else
        begin
        
        // 测试区域
    $display("

");
    $display("*****************************************************");
    $display("*** XXX Test ***");
    $display("*****************************************************
");
    
        s0.fill_mem(1);
        repeat(10) @(posedge clk);
        //参数设置
        vbara = 32'h0000_0000;
        vbarb = 32'h0001_0000;
        m0.wb_wr1( `VBARA, 4'hf, vbara );
        m0.wb_wr1( `VBARB, 4'hf, vbarb );
        thsync = 0;
        thgdel = 0;
        thgate = 340;
        thlen = 345;
        tvsync = 0;
        tvgdel = 0;
        tvgate = 240;
        tvlen = 245;
        
        /*
        thsync = 0;
        thgdel = 0;
        thgate = 63;
        thlen = 70;
        tvsync = 0;
        tvgdel = 0;
        tvgate = 32;
        tvlen = 36;
        */
        
        hpol = 0;
        vpol = 0;
        cpol = 0;
        bpol = 0;
        m0.wb_wr1( `HTIM, 4'hf, {thsync, thgdel, thgate} );
        m0.wb_wr1( `VTIM, 4'hf, {tvsync, tvgdel, tvgate} );
        m0.wb_wr1( `HVLEN, 4'hf, {thlen, tvlen} );


    mode = 2;


    for(bank=0;bank<3;bank=bank + 1)
        begin
            case(mode)
            0:
            begin
                cd = 2'h2;
                pc = 1'b0;
            end
            
            1:
            begin
                cd = 2'h0;
                pc = 1'b0;
            end
            
            2:
            begin
                cd = 2'h0;
                pc = 1'b1;
            end
            
            3:
            begin
                cd = 2'h1;
                pc = 1'b0;
            end
            
        endcase
    
    m0.wb_wr1( `CTRL, 4'hf, {
        16'h0, // Reserved
        bpol, cpol,
        vpol, hpol,
        pc, // 1'b0, // PC
        cd, // 2'h2, // CD
        2'h0, // VBL
        1'b0, // Reserved
        1'b1, // CBSWE
        1'b1, // VBSWE
        1'b0, // BSIE
        1'b0, // HIE
        1'b0, // VIE
        1'b1 // Video Enable
      });
      
    $display("Mode: %0d Screen: %0d", mode, bank);
    //repeat(2) @(posedge vsync);
    @(posedge vsync);
    
    // 每一行数据
    for(l=0;l9000)
            begin
                $display("

*************************************
");
                $display("ERROR: Watch Dog Counter Expired
");
                $display("*************************************


");
                $finish;
            end
            
    always @(posedge int)
        if(int_warn)
            begin
                $display("

*************************************
");
                $display("WARNING: Recieved Interrupt (%0t)", $time);
                $display("*************************************


");
            end
    
    always #2.5 clk = ~clk;
    always #(PCLK_C/2) pclk_i = ~pclk_i;
    
    //模块原型
    vga_enh_top #(1'b0, LINE_FIFO_AWIDTH) u0 (
        .wb_clk_i ( clk ),
        .wb_rst_i ( 1'b0 ),
        .rst_i ( rst ),
        .wb_inta_o ( int ),
        //从信号
        .wbs_adr_i ( wb_addr_i[11:0] ),
        .wbs_dat_i ( wb_data_i ),
        .wbs_dat_o ( wb_data_o ),
        .wbs_sel_i ( wb_sel_i ),
        .wbs_we_i ( wb_we_i ),
        .wbs_stb_i ( wb_stb_i ),
        .wbs_cyc_i ( wb_cyc_i ),
        .wbs_ack_o ( wb_ack_o ),
        .wbs_rty_o ( wb_rty_o ),
        .wbs_err_o ( wb_err_o ),
        //主信号
        .wbm_adr_o ( wb_addr_o[31:0] ),
        .wbm_dat_i ( wbm_data_i ),
        .wbm_sel_o ( wb_sel_o ),
        .wbm_we_o ( wb_we_o ),
        .wbm_stb_o ( wb_stb_o ),
        .wbm_cyc_o ( wb_cyc_o ),
        .wbm_cti_o ( wb_cti_o ),
        .wbm_bte_o ( wb_bte_o ),
        .wbm_ack_i ( wb_ack_i ),
        .wbm_err_i ( wb_err_i ),
        //VGA 信号
        .clk_p_i ( pclk_i ),
    `ifdef VGA_12BIT_DVI
        .dvi_pclk_p_o ( dvi_pclk_p_o ),
        .dvi_pclk_m_o ( dvi_pclk_m_o ),
        .dvi_hsync_o ( dvi_hsync_o ),
        .dvi_vsync_o ( dvi_vsync_o ),
        .dvi_de_o ( dvi_de_o ),
        .dvi_d_o ( dvi_d_o ),
    `endif
        .clk_p_o ( pclk ),
        .hsync_pad_o ( hsync ),
        .vsync_pad_o ( vsync ),
        .csync_pad_o ( csync ),
        .blank_pad_o ( blanc ),
        .r_pad_o ( red ),
        .g_pad_o ( green ),
        .b_pad_o ( blue )
    );
    
    wb_mast m0( .clk( clk ),
            .rst( rst ),
            .adr( wb_addr_i ),
            .din( wb_data_o ),
            .dout( wb_data_i ),
            .cyc( wb_cyc_i ),
            .stb( wb_stb_i ),
            .sel( wb_sel_i ),
            .we( wb_we_i ),
            .ack( wb_ack_o ),
            .err( wb_err_o ),
            .rty( 1'b0 )
        );
    
    wb_slv #(24) s0(.clk( clk ),
            .rst( rst ),
            .adr( {1'b0, wb_addr_o[30:0]} ),
            .din( 32'h0 ),
            .dout( wbm_data_i ),
            .cyc( wb_cyc_o ),
            .stb( wb_stb_o ),
            .sel( wb_sel_o ),
            .we( wb_we_o ),
            .ack( wb_ack_i ),
            .err( wb_err_i ),
            .rty( )
        );
    
    `include "tests.v"
    
endmodule

五、总结

本篇介绍了一个 VGA/LCD 显示控制器的实例。首先介绍了 VGA/LCD 显示的相关知识，然后介绍了程序的主要结构和主要功能模块的实现过程。最后用一个测试程序验证程序的功能是否满足要求。本章为各位大侠设计自己的 VGA/LCD 显示控制器提供了一个可以使用的方案。

审核编辑：刘清