??? 摘? 要: 介紹了基于FPGA的圖形式LCD&VGA控制器的設計,詳細討論了用VHDL設計行場掃描時序的方法,這種設計方法" title="設計方法">設計方法稍作改動便可產生任意行場掃描時序,具有很好的可重用性。該控制器已成功地在某型飛機座艙圖形顯示系統" title="顯示系統">顯示系統中使用。?
????關鍵詞: 儀表裝置? LCD? VHDL? FPGA? VGA
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??? 飛機座艙圖形顯示系統已發展到第六代,即采用有源矩陣彩色液晶顯示器AMLCD(Active Matrix Liquid Crystal Display)。當前高分辨率的軍用AMLCD顯示模塊" title="顯示模塊">顯示模塊還只能依靠進口,且控制電路板須安裝在該顯示模塊提供的機箱內。這種安裝方式對AMLCD控制電路板的尺寸要求高,要求盡可能減少所設計電路板的尺寸。在筆者設計的新一代飛機座艙圖形顯示系統中使用了大規?，F場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array),這種設計方式可以將以前需要多塊集成芯片的電路設計到一塊大規?？删幊踢壿嬈骷?大大減少了電路板的尺寸,增強了系統的可靠性和設計的靈活性。本文詳細介紹了已在實際項目中應用的基于FPGA的圖形式AMLCD控制器設計,這種設計方法稍作修改即可應用于常見VGA視頻接口電路的設計。?
1 圖形顯示系統簡介
??? 圖1是飛機座艙圖形顯示系統結構框圖。圖中處理器采用AD公司的ADSP21061芯片,AMLCD采用Korry公司的KDM710全彩色液晶顯示模塊,該模塊為5×5英寸、600×600分辨率彩色液晶顯示模塊,24位數字RGB輸入。兩個幀存A和B采用IDT公司的71V424高速異步靜態RAM,系統采用兩個幀存輪流操作的方法:當DSP向其中一個幀存寫象素時,由FPGA構成的幀存控制器將另一個幀存中的象素順序讀出送給AMLCD,反之亦然。圖形顯示系統通過IDT公司的71V04雙口RAM接收主機的顯示信息。圖1中的幀存控制器和視頻控制器由Xilinx公司的SpartanII芯片XC2S50實現。?
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2 KMD710顯示模塊?
??? 如圖1所示,美國Korry公司提供的KDM710全彩色液晶顯示模塊接口信號主要有如下幾組:3個8位RGB數字信號、
場同步信號" title="同步信號">同步信號
數據使能信號DATA_EN和點時鐘輸入DCLK。根據AMLCD數據手冊所要求的時序,確定掃描時序和相應的時序參數如圖2所示。一般,圖形終端顯示器掃描制式與廣播電視的標準有點不同,須根據顯示模塊所提供的時間要求來確定掃描時序,其中的行場同步的前后肩,可以根據需要進行微調,一般為了防止每行的第一個象素丟失,要求行同步的后肩C與行同步脈沖寬B盡量相等。圖2中的點時鐘為20MHz,行周期為650個時鐘周期,場周期為615個行周期(場頻為50Hz)。?
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3 LCD&VGA控制器設計?
??? 設計行場掃描時序,一般有兩種方式:查找表" title="查找表">查找表方式和編程邏輯方式。查找表方式主要由存儲芯片構成,如SRAM、EPROM、PORM等。使用時,先根據所要產生的時序在存儲單元寫入相應的數值,查表時再從表內讀出對應存儲單元的數值,以形成掃描時序。掃描時序查找表分為行掃描時序查找表和場掃描時序查找表。場掃描時序查找表的輸入時鐘由行同步脈沖提供。用查找表形成時序的方法存在體積大、計算煩瑣的缺點。隨著大規模邏輯芯片的出現,利用編程邏輯方法產生行場掃描時序是一個發展方向。這種方法具有電路簡單、功能強、修改方便、可靠性高等優點。圖3為LCD控制器的框圖。
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??? 在本設計中,點時鐘DCLK由處理器DSP的系統時鐘40MHz經數字鎖相環二分頻得到。點時鐘驅動行時序生成器,產生圖2所示的行同步信號
和行消隱信號
。為避免毛刺,控制器設計采用同步設計方法,如圖3所示,行同步信號通過一個微分電路,產生一個點時鐘周期寬的場時序生成器使能信號。在使能信號有效時,場時序生成器開始計數,并產生場同步信號
和場消隱信號
。行消隱信號和場消隱信號相與后即為數據使能信號DATA_EN。該數據使能信號作為產生幀存地址計數器的計數使能,以保證DATA_EN信號為高時,將象素送給AMLCD顯示。在DCLK的上升沿,幀存地址計數器加一,幀存SRAM經過一段延時后,象素數據出現在總線上。在DCLK的下降沿AMLCD將數據讀入。該LCD控制器的設計方法很容易用于VGA視頻接口。在VGA接口電路的設計中,不需點時鐘電路,只須將行同步信號與場同步信號輸出,將數據使能信號作為復合消隱信號輸入即可。產生行場掃描時序的VHDL描述如下:?
entity seq_gen is ?
port( clk_seq? : in std_logic;?
rst_seq?????? : in std_logic;?
lcd_hs_out??? : out std_logic;?
lcd_dataen??? : out std_logic;?
lcd_vs_out??? : out std_logic;?
pix_clk?????? : out std_logic? );?
end seq_gen;?
architecture rtl_seq_gen of seq_gen is ?
signal? lcd_hb : std_logic;?
signal? lcd_hs :? std_logic;?
signal? lcd_vb : std_logic;?
signal? lcd_vs :? std_logic;?
signal? clken_vcount : std_logic;?
begin? ?
hcount:? block?
signal hcountreg :std_logic_vector(9 downto 0);?
signal?? hz_temp??? : std_logic;?
signal?? lcd_hz : std_logic;?
begin?
process (clk_seq, lcd_hz )?
begin?
if (lcd_hz = ‘1’ )? then?
hcountreg <= (others => ‘0’);?
elsif clk_seq＇event and clk_seq = ‘1’ then?
hcountreg <= hcountreg +1;?
end if;?
end process;?
lcd_hb <= ‘0’ when hcountreg >=600 and hcountreg < 650 else ‘1’;?
lcd_hs <= ‘0’ when hcountreg >=610 and hcountreg
hz_temp <= ‘1’ when hcountreg = 650 else ‘0’;?
lcd_hz <= hz_temp or rst_seq;?
end block hcount;?
diff :? block?
signal?? inputrega? :? std_logic;?
signal?? inputregb? :? std_logic;?
begin?
process(clk_seq)?
begin?
if clk_seq＇event and clk_seq=‘1’ then?
inputregb <= inputrega;?
inputrega? <=? not lcd_hs; ?
end if;?
end process;?
clken_vcount <= not inputregb and inputrega;?
end block diff; ?
vcount : block?
signal?? vcountreg :??? std_logic_vector(9 downto 0);?
signal?? vz_temp :??? ? std_logic;?
signal?? lcd_vz :????? std_logic;?
begin?
process (clk_seq, lcd_vz)?
begin?
if (lcd_vz=‘1’)? then?
vcountreg <= (others => ‘0’);?
elsif clk_seq＇event and clk_seq = ‘1’ then ?
if clken_vcount = ‘1’ then?
vcountreg <= vcountreg +1;?
end if;?
end if;?
end process;?
lcd_vb <= ‘0’ when vcountreg >=600 and vcountreg < 615 else ‘1’;?
lcd_vs <= ‘0’ when vcountreg >=607 and vcountreg
vz_temp <= ‘1’ when vcountreg = 615 else ‘0’;?
lcd_vz <= vz_temp or rst_seq;?
end block vcount;?
pix_clk <= clk_seq;?
lcd_dataen <= lcd_hb and lcd_vb;?
lcd_hs_out <= lcd_hs;?
lcd_vs_out <= lcd_vs;?
end rtl_seq_gen;?
??? 這種用VHDL產生掃描時序的方法簡單、易讀,并且易于修改。在代碼中只須修改一些時序參數就能產生任意時序的波形,具有很好的可重用性。用FPGA Express 3.5將VHDL代碼綜合后,通過Foundation 3.1i進行布局和布線,用Foundation提供的門級仿真工具產生的行掃描時序仿真圖如圖4所示。
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??? 采用FPGA技術設計的AMLCD控制器,大大減少了電路板的尺寸,同時增加了系統可靠性和設計靈活性。這種用VHDL語言實現行場掃描時序生成器的方法,具有簡便。易讀和可重用性強的特點。該AMLCD控制器已用Xilinx公司的SpartanII系列器件XC2S50實現,并在飛機座艙圖形顯示系統中實際應用。?
參考文獻?
1 The programmable Logic Data Book 2000. USA:Xilinx?Corp,2000?
2 杜海濤.現代飛機座艙顯示系統研究. 南京航空航天大學博士論文,1999?
3 蘇光大.微機圖像處理系統. 北京:清華大學出版社,?2000:21～38?
4 候伯亭,顧 新.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計(修訂版).西安:西安電子科技大學出版社,1999