FPGA-08FPGAVGA彩条显示
（1）VGA简介
VGA的全称是Video Graphics Array，即视频图形阵列，是一个使用模拟信号进行视频传输的标准。早期的CRT显示器由于设计制造上的原因，只能接收模拟信号输入，因此计算机内部的显卡负责进行数模转换，而VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口。如今液晶显示器虽然可以直接接收数字信号，但是为了兼容显卡上的VGA接口，也大都支持VGA标准。
在VGA视频传输标准中，视频图像被分解为红、绿、蓝三原色信号，经过数模转换之后，在行同步（HSYNC）和场同步（VSYNC）信号的同步下分别在三个独立通道传输。VGA在传输过程中的同步时序分为行时序和场时序。
从上面两幅图中我们可以看到VGA传输过程中的行同步时序和场同步时序非常类似，一行或一场（又称一帧）数据都分为四个部分：低电平同步脉冲、显示后沿、有效数据段以及显示前沿。
行同步信号HSYNC在一个行扫描周期中完成一行图像的显示，其中在a段维持一段时间的低电平用于数据同步，其余时间拉高；在有效数据期间（c段），红绿蓝三原色数据通道上输出一行图像信号，其余时间数据无效。
与之类似，场同步信号在在一个场扫描周期中完成一帧图像的显示，不同的是行扫描周期的基本单位是像素点时钟，即完成一个像素点显示所需要的时间；而场扫描周期的基本单位是完成一行图像显示所需要的时间。
早期的VGA特指分辨率为640X480的显示模式，后来根据分辨率的不同，VGA又分为VGA（640x480）、SVGA（800x600）、XGA（1024x768）、SXGA（1280x1024）等。不同分辨率的VGA显示时序是类似的，仅存在参数上的差异
需要注意的是，即便分辨率相同，刷新速率（每秒钟图像更新次数）不一样时，对应的VGA像素时钟及时序参数也存在差异。例如，显示模式“640*480@75”刷新速率为75hz，与相同分辨率下刷新速率为60hz的“640*480@60”模式相比，像素时钟更快，其他时序参数也不尽相同。
（2）实验任务
开发板上的VGA接口在显示器上显示彩条，要求分辨率为640*480，刷新速率为60hz。
（3）硬件设计
FPGA管脚输出的颜色数据位宽为16bit，数据格式为RGB565，即数据高5位表示红色，中间6位表示绿色，低5位表示蓝色。RGB565格式的数据一共可表示65536种颜色，此外常用的颜色数据格式还有RGB888，数据位宽越大，可以表示的颜色种类就越丰富。
由前面的简介我们知道，VGA传输的是模拟信号，因此需要对FPGA输出的RGB565颜色数据进行数模转换。此过程可以通过专用的视频转换芯片（如ADV7123）来实现，在这里我们采用另外一种更简单的方案——利用电阻匹配网络来实现数字信号到模拟信号的转换。
（4）程序设计
VGA时序包含三个要素：像素时钟、行场同步信号、以及图像数据，由此我们可以大致规划出系统结构如图 所示。其中时钟分频模块负责产生像素时钟，VGA驱动模块产生行场同步信号，VGA显示模块输出图像数据。
由系统框图可知，FPGA部分包括四个模块，顶层模块（vga_colorbar）、时钟分频模块（vga_pll）、VGA显示模块（vga_display）以及VGA驱动模块（vga_driver）。其中在顶层模块中完成对另外三个模块的例化。
module vga_driver(
input vga_clk, //VGA驱动时钟
input sys_rst_n, //复位信号
//VGA接口
output vga_hs, //行同步信号
output vga_vs, //场同步信号
output [15:0] vga_rgb, //红绿蓝三原色输出
input [15:0] pixel_data, //像素点数据
output [ 9:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
output [ 9:0] pixel_ypos //像素点纵坐标
);
//parameter define
parameter H_SYNC = 10'd96; //行同步
parameter H_BACK = 10'd48; //行显示后沿
parameter H_DISP = 10'd640; //行有效数据
parameter H_FRONT = 10'd16; //行显示前沿
parameter H_TOTAL = 10'd800; //行扫描周期
parameter V_SYNC = 10'd2; //场同步
parameter V_BACK = 10'd33; //场显示后沿
parameter V_DISP = 10'd480; //场有效数据
parameter V_FRONT = 10'd10; //场显示前沿
parameter V_TOTAL = 10'd525; //场扫描周期
//reg define
reg [9:0] cnt_h;
reg [9:0] cnt_v;
//wire define
wire vga_en;
wire data_req;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//VGA行场同步信号
assign vga_hs = (cnt_h <= H_SYNC - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
assign vga_vs = (cnt_v <= V_SYNC - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
//使能RGB565数据输出
assign vga_en = (((cnt_h >= H_SYNC+H_BACK) && (cnt_h < H_SYNC+H_BACK+H_DISP))
&&((cnt_v >= V_SYNC+V_BACK) && (cnt_v < V_SYNC+V_BACK+V_DISP)))
? 1'b1 : 1'b0;
//RGB565数据输出
assign vga_rgb = vga_en ? pixel_data : 16'd0;
//请求像素点颜色数据输入
assign data_req = (((cnt_h >= H_SYNC+H_BACK-1'b1) && (cnt_h < H_SYNC+H_BACK+H_DISP-1'b1))
&& ((cnt_v >= V_SYNC+V_BACK) && (cnt_v < V_SYNC+V_BACK+V_DISP)))
? 1'b1 : 1'b0;
//像素点坐标
assign pixel_xpos = data_req ? (cnt_h - (H_SYNC + H_BACK - 1'b1)) : 10'd0;
assign pixel_ypos = data_req ? (cnt_v - (V_SYNC + V_BACK - 1'b1)) : 10'd0;
//行计数器对像素时钟计数
always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
cnt_h <= 10'd0;
else begin
if(cnt_h < H_TOTAL - 1'b1)
cnt_h <= cnt_h + 1'b1;
else
cnt_h <= 10'd0;
end
end
//场计数器对行计数
always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
cnt_v <= 10'd0;
else if(cnt_h == H_TOTAL - 1'b1) begin
if(cnt_v < V_TOTAL - 1'b1)
cnt_v <= cnt_v + 1'b1;
else
cnt_v <= 10'd0;
end
end
endmodule module vga_display(
input vga_clk, //VGA驱动时钟
input sys_rst_n, //复位信号
input [ 9:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
input [ 9:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
output reg [15:0] pixel_data //像素点数据
);
parameter H_DISP = 10'd640; //分辨率——行
parameter V_DISP = 10'd480; //分辨率——列
localparam WHITE = 16'b11111_111111_11111; //RGB565 白色
localparam BLACK = 16'b00000_000000_00000; //RGB565 黑色
localparam RED = 16'b11111_000000_00000; //RGB565 红色
localparam GREEN = 16'b00000_111111_00000; //RGB565 绿色
localparam BLUE = 16'b00000_000000_11111; //RGB565 蓝色
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//根据当前像素点坐标指定当前像素点颜色数据，在屏幕上显示彩条
always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
pixel_data <= 16'd0;
else begin
if((pixel_xpos >= 0) && (pixel_xpos <= (H_DISP/5)*1))
pixel_data <= WHITE;
else if((pixel_xpos >= (H_DISP/5)*1) && (pixel_xpos < (H_DISP/5)*2))
pixel_data <= BLACK;
else if((pixel_xpos >= (H_DISP/5)*2) && (pixel_xpos < (H_DISP/5)*3))
pixel_data <= RED;
else if((pixel_xpos >= (H_DISP/5)*3) && (pixel_xpos < (H_DISP/5)*4))
pixel_data <= GREEN;
else
pixel_data <= BLUE;
end
end
endmodule （5）下载验证