【正文】 電子信息工程專業(yè)綜合設計 （報告） （課 程 設 計） 題目 基于 FPGA 的 VGA 圖像 漢字 顯示及PS/2 鍵盤控制設計與應用 二級學院 專 業(yè) 班 級 學生姓名 學 號 指導教師 時 間 基于 FPGA 的 VGA 圖像 漢字 顯示及 PS/2鍵盤控制設計與應用 摘 要 ： 現(xiàn)在社會，以計算機技術為核心的信息技術迅速發(fā)展，以及信息的爆炸式增長，人類獲得視覺信息的很大一部分是從各種各樣的電子顯示器件上獲得的，對這些電子顯示器件的要求也越來越高，在這些諸多因素的驅動下，顯示技術也取得了飛速的發(fā)展。 VGA(Video Graphics Array)是 IBM在 1987年隨 PS／ 2機一起推出的一種視頻傳輸標準，具有分 辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。 使用 FPGA設計的 VGA顯示控制器具有很高的靈活性，可以根據(jù)其不同的類型、尺寸、適用場合特別是不同的工業(yè)產(chǎn)品，做一些特殊的設計，以最小的代價滿足系統(tǒng)的要求，而且可以解決通用的顯示控制器本身固有的一些缺點。 VGA(視頻圖形陣列 )作為一種標準的顯示接口得到廣泛的應用。本文依據(jù) VGA顯示原理，介紹了利用 FPGA 實現(xiàn)對 VGA圖形控制器 VHDL設計及 PS/2鍵盤與按鍵對顯示圖象控制的方法。詳細描述了各硬件模塊的工作原理及實現(xiàn)途徑，并給出了軟件設 計思路及部分代碼。 關鍵詞 ： VGA； FPGA； VHDL； PS/2 0. 引言 隨著可編程邏輯器件的不斷發(fā)展及其價格的不斷下降， EDA 開發(fā)軟件的不斷完善，可編程邏輯設計的應用優(yōu)勢逐漸顯示出來， 特別是大規(guī)模可編程器件。 而 FPGA 具有功能強大，開發(fā)過程投資小、周期短等特點，成為當今硬件設計的首選方式之一。 VGA（視頻圖形陣列）作為一種標準的顯示接口得到廣泛地應用。利用 FPGA 芯片和 EDA 設計方法，可以靈活地根據(jù)用戶需求，設計出針對性強的 VGA 顯示控制器，不僅降低了生產(chǎn)成本也可以快速地對產(chǎn)品 進行升級換代。 本文設計采用 Quartus II 軟件工具，并以 Altera 公司的 Cyclone 系列 FPGA 的器件 EP1C12F324C8 為主實現(xiàn)硬件平臺的設計。 1． 方案設計及工作原理 VGA 模塊方案設計 采用模塊化設計方法，我們對 VGA 圖形控制器按功能進行層次劃分。本設計的VGA 控制器主要由以下模塊組成： VGA 時序控制模塊、 ROM 內(nèi)存地址控制模塊、 ROM 內(nèi)存模塊、按鍵掃描控制模塊。如圖 1 所示。 圖 工作 原理 VGA 時序控制 模塊 ROM 內(nèi)存地址控制模塊 ROM 按鍵掃描 控制模塊 50MHz 5Hz addr data 首坐標 xx、 yy VGA 接口 RGB HS、 VS D/A CRT 根據(jù) VGA 的顯示協(xié)議，可以選擇不同的顯示分辨率。本設計選擇的是 800*600的分辨率。根據(jù)相應協(xié)議，在“ VGA 時序控制模塊”對行掃描信號 HS 和場掃描信號 VS 進行相應的時序控制（具體控制詳細信息見“ VGA 驅動原理”資料文檔）。 “ ROM 內(nèi)存地址控制模塊”根據(jù)“按鍵掃描控制模塊”獲得的圖片顯示首 坐標 xx、 yy 信息和“ VGA 時序控制模塊”傳送過來的 ht(列計數(shù)器值 )、vt(行計數(shù)器值 )及相關控制信號計算出正確的內(nèi)存地址，從 rom 中取出所需要的像素點的三基色數(shù)據(jù)。 PS/2 接口電路的工作原理 PS/2 協(xié)議和接口最初是 IBM公司開發(fā)并推廣使用的一種應用于鍵盤 /鼠標的協(xié)議和接口， PS/2 鍵盤按鍵接口是 6 芯的插頭與 PC 機的鍵盤相連接，插頭、插座定義如圖所示。 鍵盤 /鼠標接口的數(shù)據(jù)線和時鐘線采用集電極開路結構，平時都是高電平當這些設備等待發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先檢查 clock 是否為高。如果為低 ，則認為 PC 抑制了通訊，此時它緩沖數(shù)據(jù)直到獲得總線的控制權。如果 clock 為高電平，設備則開始向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。一般都是由 ps2 設備產(chǎn)生時鐘信號。發(fā)送按幀格式。數(shù)據(jù)位在 clock 為高電平時準備好，在 clock 下降沿被 PC 讀入。圖 3 所示是按下 Q鍵的時序圖“ Q”鍵的掃描碼從鍵盤發(fā)送到計算機（通道 A 是時鐘信號，通道 B是數(shù)據(jù)信號）。因本設計只需進行控制，所以 PS/2 模塊并未設計轉碼功能。 2． 模塊設計及仿真 VGA 顯示 模塊 圖片想要在顯示器上顯示出來，它主要需要 5 個信號，行同步信號（ HS）、場同步信號（ VS）和 RGB 三基色信號。 VGA 時序控制模塊是須嚴格按照 VGA時序標準產(chǎn)生相應的脈沖信號。對這 5 個信號的時序驅動， VGA 顯示器要嚴格遵守“ VGA 工業(yè)標準”，即 640*480*60Hz 模式，否則會損壞 VGA 顯示器。 VGA工業(yè)標準要求的頻率是：時鐘頻率為 ，行頻為 31469Hz，場頻為。圖為行 HS、場 VS 時序圖 圖 行 HS、場 VS 時序圖 顯示模塊是整個顯示控制器的重要組成部分，各個模塊的輸出數(shù)據(jù)都要經(jīng)過模塊處理后送到顯示器。顯示模塊在 VGA 顯示控制器中起至關重要的作 用。顯示模塊的輸出信號通過 D/A 轉換器的轉換連到 VGA 接口，它是控制器和顯示器進行通信的橋梁。該模塊以可以 VHDL 語言實現(xiàn)。 ROM 內(nèi)存地址控制模塊 整個顯示思路是在 640*480分辨率的顯示器上開辟一 128*128的顯示區(qū)域來 顯示圖片，因為顯示的圖片的大小為 128*128。在此區(qū)域以外顯示指定顏色，例如黑色、藍色等，作為一個背景色顯示。在本模塊中，通過在對 ROM 內(nèi)存地址的控制，實現(xiàn)了圖片顯示功能。以下通過一段關鍵代碼詳細講解其實現(xiàn)原理。 的計算原 理： romaddr_control = (vt(6 downto 0)count_tempv(6 downto 0)) amp。 (ht(6 downto 0)count_temph(6 downto 0))。 注： romaddr_control 為從 rom 中取數(shù)據(jù)時所需要的地址，它對應著圖片的沒一個像素點的三基色數(shù)據(jù)； vt(5 downto 0)和 ht(7 downto 0)分別表示取 vt(9 downto 0)、 ht(10 downto 0)的后 后 8 個二進制位來做運算。 count_tempv(5 downto 0)和 count_temph(7 downto 0)同理可以理解其含義。 Vt、 ht 實際上可以分別理解為屏幕顯示的行和列計數(shù)器， count_tempv 和 count_temph 可以分別理解為圖片在屏幕上顯示的起始行和列坐標。 拋開以上等式，按照正常思路，我們可以得到圖片控制地址： addr_control=( vt count_tempv ) * 256 + ( ht – count_temph ) 通過分析整個 文件，會發(fā)現(xiàn)其實上面代 碼是該等式的高效等效實現(xiàn)。 ROM 內(nèi)存模塊 ROM 內(nèi)存中存儲的是圖片的依次行掃描三基色數(shù)據(jù)，作為顯示時送給 VGA顯 示器的 RGB 數(shù)據(jù)。本設計存儲的是一幅 128*128 的圖片，所以定義了一輸出為 3 位，大小為 128*128=16384 byte 的 rom 內(nèi)存。 鍵盤控制模塊 本模塊主要實現(xiàn)由鍵盤上的 WASD 控制圖片上下左右移動以及速度