用于單片機(jī)系統(tǒng)的VGA顯示驅(qū)動(dòng)電路

◆何成 焦杰

用于單片機(jī)系統(tǒng)的VGA顯示驅(qū)動(dòng)電路

◆何成1焦杰2通訊作者

（1.葫蘆島廣播電視監(jiān)測(cè)臺(tái) 遼寧 125000；2.吉林省廣播電視研究所 吉林 130041）

一種可以用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的VGA高性能顯示電路；采用CPLD設(shè)計(jì)邏輯電路，控制兩片作為顯存的SRAM；以16位并行總線(xiàn)高速寫(xiě)入像素?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)緩存之后再保存到顯存；并行總線(xiàn)不但支持單片機(jī)無(wú)條件高速寫(xiě)入，而且可以用DMA快速更新任意矩形窗口；具有刷新速度快的特點(diǎn)，并且用兩片SRAM分別作為前景頁(yè)和背景頁(yè)，可以全屏快速切換刷新。

VGA；CPLD；單片機(jī)；DMA；顯示頁(yè)

低成本的單片機(jī)系統(tǒng)通常用數(shù)碼管或小屏LCD輸出信息，顯示區(qū)較小。目前幾乎所有的電視機(jī)、投影儀、顯示器等大屏設(shè)備都有VGA輸入接口[1]。如果設(shè)計(jì)一種由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的VGA顯示電路，用動(dòng)態(tài)的文字、圖形或視頻展示信息，那就可以大幅提升人機(jī)界面交互水平。在640X480@60Hz條件下，VGA像素頻率為25MHz[2]；在800X600@60Hz時(shí)，像素頻率高達(dá)40MHz。因其頻率較高，用單片機(jī)難以直接處理顯示復(fù)雜彩色圖形、文字或視頻[3]。本文介紹一種適用于單片機(jī)擴(kuò)展VGA接口的驅(qū)動(dòng)電路，可以很方便地高速刷新顯示動(dòng)態(tài)圖像。運(yùn)用該電路制作的設(shè)備在多個(gè)廣播電視臺(tái)站應(yīng)用，效果良好。關(guān)于VGA的時(shí)序及部分接口電路設(shè)計(jì)，在參考文獻(xiàn)[4]已有介紹，因此本文重點(diǎn)闡述提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)刷新性能的方法。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

廣播電視監(jiān)測(cè)工作需要一種的VGA大屏幕信息發(fā)布系統(tǒng)，用大號(hào)字符動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前時(shí)間和其他一些信息，具體要求：

（1）輸出640X480@60Hz或800X600@60Hz的64K真彩色，支持16位并行輸入接口；

（2）支持任意時(shí)刻總線(xiàn)無(wú)條件高速寫(xiě)入；

（3）可任意指定顯存的寫(xiě)入地址，隨機(jī)修改屏幕上任意像素；

（4）顯存的寫(xiě)地址自動(dòng)步進(jìn)，支持快速DMA方式刷新；

（5）支持顯示分頁(yè)，實(shí)現(xiàn)全屏圖像瞬間刷屏。

2 設(shè)計(jì)思路

像素采用16位RGB565真彩色格式，全屏像素保存在SRAM顯存中，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，用兩片512KX16位的存儲(chǔ)器IS61LV51216，分別保存前景與背景兩屏圖像。用CPLD設(shè)計(jì)數(shù)字電路，按VGA像素頻率把顯存中的數(shù)據(jù)按地址順序讀出，經(jīng)過(guò)IO腳上由電阻網(wǎng)絡(luò)組成的簡(jiǎn)易DAC轉(zhuǎn)變成為模擬信號(hào)，分別輸出到VGA的RGB三條顏色信號(hào)線(xiàn)上。

通常單片機(jī)輸出的信息總量不會(huì)太大，640X480已能滿(mǎn)足大多數(shù)的使用需要。如果像素頻率為25MHz，那么就設(shè)計(jì)用50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，二分頻后得到25MHz像素時(shí)鐘，其低、高電平分別對(duì)應(yīng)顯存讀取和寫(xiě)入兩個(gè)時(shí)間窗口[5]。在讀窗口期間，顯存中數(shù)據(jù)送到DAC，并在讀窗口期結(jié)束時(shí)保持鎖存以維持DAC輸出。為了支持任意時(shí)刻的單片機(jī)總線(xiàn)寫(xiě)入，必須把像素?cái)?shù)據(jù)先緩存在一個(gè)16位的緩存中，等到下一次顯存的寫(xiě)窗口期才真正寫(xiě)入顯存。

若外部像素寫(xiě)入速度低，則顯示內(nèi)容刷新較慢，甚至能看到圖像文字在蠕動(dòng)。可采取顯示換頁(yè)的方法，在屏幕上顯示前景頁(yè)，而把像素悄悄寫(xiě)入背景頁(yè)，寫(xiě)完之后交換兩頁(yè)可瞬間全屏刷新。

向顯存寫(xiě)入像素之前，需要先寫(xiě)入像素的顯存地址。通常顯示輸出的圖形或字模都是一個(gè)矩形窗口，顯示數(shù)據(jù)都是從左到右成行排列，每行結(jié)束再向下排列出新一行像素。因此在絕大多數(shù)情況下，像素?cái)?shù)據(jù)都將順序?qū)懭搿Ｈ魧?xiě)入地址能夠自動(dòng)累加步進(jìn)，則總線(xiàn)數(shù)據(jù)量可減少一半。

3 電路設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)主要部分的電路原理圖。

圖1 主要電路圖

圖中，用兩片型SRAM作為顯存，共計(jì)1M地址空間，分成由U3低顯示頁(yè)，以及由U2高顯示頁(yè)，利用兩個(gè)顯存的片選CE19和CE19#，選擇其中一個(gè)顯存輸出到DAC，二者切換則可實(shí)現(xiàn)瞬間換頁(yè)刷新。用型號(hào)為EPM570的CPLD設(shè)計(jì)控制電路，生成行場(chǎng)同步信號(hào)。電阻網(wǎng)絡(luò)RN1-RN11組成簡(jiǎn)易DAC，用50MHz的晶振實(shí)現(xiàn)640X480分辨率，若要實(shí)現(xiàn)800X600分辨率，則需換用80M晶振。

設(shè)計(jì)16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)FSMC_DA[15..0]并行接口，寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)FSMC_NWE和控制線(xiàn)FSMC_A16，只支持顯存寫(xiě)，不需支持讀。寫(xiě)入像素?cái)?shù)據(jù)之前可寫(xiě)入地址控制字來(lái)設(shè)置顯存的寫(xiě)入地址。控制字有1個(gè)位用于設(shè)置顯示前景頁(yè)。設(shè)計(jì)20位的顯存地址空間，當(dāng)FSMC_A16為1時(shí)，表明寫(xiě)入16位地址控制字。地址控制字分兩次寫(xiě)入，第一次寫(xiě)入的是控制字和顯存地址高4位，第二次寫(xiě)入顯存低16位地址。當(dāng)FSMC_A16為0時(shí)，寫(xiě)入的是像素?cái)?shù)據(jù)，每寫(xiě)一次像素，顯存的寫(xiě)地址都會(huì)自動(dòng)累加步進(jìn)。

4 顯存讀取

在VGA模塊中，有一個(gè)19位同步累加計(jì)數(shù)器作為顯存地址讀計(jì)數(shù)器，在讀窗口期向顯存輸出讀地址，在像素時(shí)鐘的上升沿累加計(jì)數(shù)值。

顯存地址讀計(jì)數(shù)器只輸出19位地址，第20位地址用于總線(xiàn)設(shè)置而不參與計(jì)數(shù)，決定顯存讀地址處于512K以下還是在512K以上，實(shí)現(xiàn)分頁(yè)功能，可實(shí)現(xiàn)圖像高速刷新。

5 寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器

地址寫(xiě)模塊輸出20位輸出顯存寫(xiě)地址，由1位顯存寫(xiě)片選緩存和19位的可重裝載同步累加計(jì)數(shù)器拼接組成。在FSMC_A16高電平期間，20位數(shù)值分兩次寫(xiě)入，第一次寫(xiě)入高4位，第二次寫(xiě)入低16位。緩存第一次寫(xiě)入Bit15作為顯存讀片選位，確定哪片SRAM作為前景頁(yè)；第一次寫(xiě)入Bit3也被緩存，確定像素寫(xiě)入哪片SRAM。在FSMC_A16低電平的像素寫(xiě)入期間，計(jì)數(shù)器在每個(gè)上升沿都累加一次，實(shí)現(xiàn)寫(xiě)地址自動(dòng)步進(jìn)。

地址步進(jìn)功能可以提高總線(xiàn)效率。作為追求低成本的單片機(jī)系統(tǒng)，通常顯示輸出的信息量不會(huì)太大，需要更新的內(nèi)容通常只局限于幾個(gè)特定的矩形窗口區(qū)域。如果只想更新這部分內(nèi)容，可以先寫(xiě)入矩形左上角坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的顯存地址，之后依次把這行數(shù)據(jù)連續(xù)寫(xiě)入即可完成第一行刷新。再寫(xiě)入矩形左上角第二行起點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)顯存地址，連續(xù)寫(xiě)第二行的數(shù)據(jù)刷第二行。不斷重復(fù)每行像素寫(xiě)入，直到最下邊一行即可完成整個(gè)矩形區(qū)刷新。

6 DMA支持

對(duì)于那些具有DMA功能的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，利用地址步進(jìn)功能可以實(shí)現(xiàn)高效快速的矩形窗口刷新。例如使用STM32F103單片機(jī)，把這套電路當(dāng)作存儲(chǔ)器接在16位FSMC總線(xiàn)[6]上。設(shè)置DMA為存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)輸方式，可以把存儲(chǔ)器中的圖形字模快速寫(xiě)入顯存而極少占用CPU時(shí)間片。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的VGA驅(qū)動(dòng)顯示電路用型號(hào)為EPM570的CPLD設(shè)計(jì)，資源消耗較少，實(shí)際僅占用182個(gè)邏輯宏元。運(yùn)用該電路設(shè)計(jì)的設(shè)備經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，未出現(xiàn)圖像抖動(dòng)、扭曲、閃爍等差錯(cuò)，效果良好。

[1]陳平平，楊雷，張志堅(jiān). 基于FPGA的VGA數(shù)據(jù)線(xiàn)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2016（14）：127.

[2]廖延初.基于FPGA 的便攜式視頻顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].福建師大福清分校學(xué)報(bào)，2018（2）：29.

[3]喬威，崔旭晶，等. 基于FPGA 的門(mén)禁攝像采集與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)[J]. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（1）：69.

[4]申中杰，王素珍，等. 基于FPGA的VGA多幅圖片動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018（1）：52-56.

[5]焦杰. 利用USB接口的原始視頻實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016（7）：79.

[6]李良.基于STM32單片機(jī)FSMC接口驅(qū)動(dòng)LCD的配置與分析[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2018（4）：72.