??? 摘 要： 介紹了XGA標準，設(shè)計了一種基于FPGA的XGA標準圖像實時控制器，它將PAL制式的電視信號轉(zhuǎn)換成XGA格式的信號。重點討論了圖像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過程及控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
??? 關(guān)鍵詞： XGA? FPGA? 雙端口" title="雙端口">雙端口RAM? 圖像轉(zhuǎn)換控制器
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??? 可編程邏輯器件FPGA由于具有開發(fā)簡單、靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)編程的特點，已經(jīng)成為當今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路(ASIC)。而XGA(eXtended Grophics Adapter)顯示器因其輸出信息量大、輸出形式多樣等特點已經(jīng)成為目前大多數(shù)設(shè)計的常用輸出設(shè)備，在FPGA的設(shè)計中可以使用很少的資源，就能產(chǎn)生XGA各種控制信號。
1 VGA原理和XGA標準
??? 計算機顯示器的顯示有許多標準，常見的有VGA、SVGA、XGA等。常見的彩色顯示器一般由陰極射線管（CRT）構(gòu)成，彩色是由R、G、B三基色組成，用逐行掃描的方式進行圖像顯示" title="圖像顯示">圖像顯示。陰極射線槍發(fā)出電子束打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生R、G、B三基色，合成一個彩色像素。掃描時從屏幕的左上方開始，從左到右、從上到下進行掃描。每掃完一行，電子束回到屏幕的左邊第一行的起始位置。在這期間，CRT對電子束進行消隱，每行結(jié)束時，用行同步信號" title="同步信號">同步信號進行行同步；掃描完所有行，用場同步信號進行場同步，并使行掃描回到屏幕的左上方，同時進行場消隱，預(yù)備下一場的掃描。對于普通的VGA(Video Graphics Adapter(Array)）顯示器，其引出線共有五種信號：三基色信號(R、G、B)；行同步信號(HS)；場同步信號(VS)。
??? 對于VGA顯示器的這五種信號的時序驅(qū)動要嚴格遵循“VGA工業(yè)標準”，本設(shè)計中采用1024×768@60Hz的XGA標準。圖1是XGA行掃描、場掃描的時序圖，表1、表2分別為行掃描、場掃描的時序要求。
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??? 設(shè)計XGA顯示控制主要注意兩個問題：一個是時序驅(qū)動，這是完成設(shè)計的關(guān)鍵，時序稍有偏差，顯示必然不正常，甚至會損壞彩色顯示器；另一個是XGA信號的電平驅(qū)動（XGA信號的驅(qū)動電平是模擬信號）。
2 控制器的設(shè)計
2.1 控制器原理
??? 本設(shè)計的數(shù)據(jù)源是PAL制式的電視信號，數(shù)據(jù)格式為YUV（4：2：2）格式。本設(shè)計以FPGA為平臺，將原始的電視信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB格式的視頻信號，并使圖像的分辨率由720×576提高到1024×768，達到XGA標準。設(shè)計可分為FIFO模塊、雙端口RAM控制模塊、圖像結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊和色空間轉(zhuǎn)換模塊。設(shè)計選取的雙端口RAM必須能存儲兩幀以上圖像，以保證完成緩沖。當雙端口RAM從一端寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)后，在寫滿下一幀數(shù)據(jù)前，開始從另一端讀取第一幀數(shù)據(jù)；第二幀寫滿后再讀取第二幀，直到第一幀的數(shù)據(jù)被第三幀數(shù)據(jù)完全覆蓋，不斷重復(fù)此過程。圖像結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊和色空間轉(zhuǎn)換模塊將PAL制式（分辨率720×576，場頻50Hz，隔行掃描)的電視信號轉(zhuǎn)換為XGA(分辨率1024×768，幀頻60Hz，逐行掃描)標準的視頻信號。
2.2 硬件實現(xiàn)
??? 本設(shè)計中FPGA采用了Actel公司的APA150芯片。該FPGA芯片具有150 000個系統(tǒng)門，邏輯單元為6144個，內(nèi)嵌36KB的雙端口SRAM的2個鎖相環(huán)PPL內(nèi)核，最大支持242個用戶I/O(I/O電壓有3.3V和2.5V兩種可供選擇)，支持3.3V、32bit、50MHz的PCI總線，系統(tǒng)時鐘最高為32MHz。雙端口RAM采用賽普拉斯半導(dǎo)體公司(Cypress Semiconductor Corp.)的CYD18S72V雙端口RAM，該芯片容量為256K×72bit，其硬件框圖如圖2所示。
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2.3 雙端口RAM控制模塊
2.3.1 雙端口RAM簡介
??? 雙端口RAM作為一種特殊類型的RAM，在一些高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。它具有兩個獨立的端口，各自均有一套相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，允許兩個端口獨立、異步地對存儲器中的任何存儲單元進行存取操作。當兩個端口同時對存儲器中的同一單元進行存取操作時，可以由其內(nèi)部仲裁邏輯決定優(yōu)先權(quán)。
2.3.2 雙端口RAM的控制
??? 當兩個端口對雙端口RAM存取時，一般存在四種情況：(1)兩個端口同時對不同地址單元讀寫數(shù)據(jù)；(2)兩個端口同時對同一地址單元讀出數(shù)據(jù)；(3)兩個端口同時對同一地址單元寫入數(shù)據(jù)；(4)兩個端口同時讀寫同一地址單元，一個寫入數(shù)據(jù)，另一個讀出數(shù)據(jù)。
??? 在(1)、(2)兩種情況下，兩個端口的存取不會出現(xiàn)錯誤，(3)、(4)種情況時會出現(xiàn)競爭現(xiàn)象。為避免因競爭而導(dǎo)致的通信錯誤，可采取“BUSY”功能輸出或通過特殊的軟件處理方法來解決。在本設(shè)計中，雙端口RAM僅用來作為數(shù)據(jù)緩沖，一個端口輸入，另一個端口輸出，只要避免出現(xiàn)第四種情況即可。在實現(xiàn)時，將雙端口RAM分成兩個工作區(qū)，每個工作區(qū)可以存儲一幀的圖像數(shù)據(jù)。當輸入端口輸入的數(shù)據(jù)寫滿工作區(qū)1后，在寫滿工作區(qū)2前，通過程序控制輸出端口反復(fù)從工作區(qū)1中讀取數(shù)據(jù)；當工作區(qū)2寫滿后，在輸入端口的數(shù)據(jù)重新寫入工作區(qū)1、工作區(qū)1寫滿前，通過程序控制輸出端口反復(fù)從工作區(qū)2中讀取數(shù)據(jù)。多次重復(fù)上述過程，可以實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的無差錯存取。
??? 在存儲時，要將電視信號的一個奇場和一個偶場的行像素數(shù)據(jù)交錯存儲，這樣就實現(xiàn)了由隔行到逐行掃描的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用的雙端口RAM為256K×72bit的存儲器，而YUV數(shù)據(jù)格式為每個像素16bit數(shù)據(jù)，每行720個有效像素，每行像素占用160個地址，因此每幀圖像占92 160個地址。
2.4 時序產(chǎn)生器模塊
??? 視頻定時產(chǎn)生器產(chǎn)生正確顯示圖像所必需的同步信號——行同步信號、場同步信號。利用FPGA內(nèi)部時鐘鎖相環(huán)倍頻后的65MHz的主時鐘，來產(chǎn)生符合XGA標準的視頻信號，其分辨率為1024×768、幀頻為60Hz。
????行同步過程的時間以像素節(jié)拍為單位進行測量，用一個計數(shù)器控制。計數(shù)器對輸出的像素進行計數(shù)，復(fù)位后從0開始，此時圖像顯示處于有效狀態(tài)；計到1024時，開始進入行消隱前肩狀態(tài)；計數(shù)到1048時，進入行同步狀態(tài)；計數(shù)到1148時，進入行消隱后肩狀態(tài)；計數(shù)到1343后，在下個像素節(jié)拍到來時計時器清零，重新進入圖像顯示有效狀態(tài)。
??? 場同步過程的時間以行節(jié)拍為單位進行測量，也用一個計數(shù)器控制。計數(shù)器對輸出的行進行計數(shù)，復(fù)位后從0開始，此時圖像顯示處于有效狀態(tài)；計數(shù)到768時，開始進入場消隱前肩狀態(tài)；計數(shù)到771時，進入場同步狀態(tài)；計數(shù)到777時，進入場消隱后肩狀態(tài)；計數(shù)到805后，在下個像素節(jié)拍到來時計時器清零，重新進入圖像顯示有效狀態(tài)。
2.5 FIFO模塊
??? FIFO1（先入先出）是深度為1024、寬度為16位的異步FIFO，寫時鐘為YUV信號的輸入時鐘PCLK，讀時鐘為時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的主時鐘MCLK。當輸入的原始數(shù)據(jù)的行、場同步信號都有效時，該FIFO的寫使能有效；當寫地址計數(shù)器數(shù)到一半或計滿時，觸發(fā)讀使能信號，使讀使能信號在后面的360個讀時鐘周期內(nèi)一直有效。由于讀時鐘頻率大于寫時鐘頻率，所以不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)寫滿溢出的現(xiàn)象。
??? FIFO2、FIFO的設(shè)計與FIFO1類似，為深度為1024寬度為16位的異步FIFO，寫時鐘為主時鐘。FIFO2、FIFO3在主時鐘的同步下交替按行接收從雙端口RAM中讀出的數(shù)據(jù)，當快寫滿時停止從雙端口RAM中讀數(shù)據(jù)，同時FIFO的寫使能信號無效，讀使能信號有效。當快讀空時，觸發(fā)寫使能信號，繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。
2.6 圖像結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊
??? 該模塊要完成分辨率的轉(zhuǎn)換，以及幀頻的轉(zhuǎn)換。
2.6.1 分辨率的轉(zhuǎn)換
??? 原始信號的分辨率為720×576，目標分辨率為1024×768。轉(zhuǎn)換的方案是：首先將原始信號做3：4的放大，使像素點數(shù)變?yōu)?60×768，再將每行的兩側(cè)各補充32個0，這樣既達到了1024×768的分辨率要求，算法也比較簡單。考慮到一般只注意圖像中間部分，對四周不是很關(guān)心，因此，在放大圖像四周補0的做法不會影響圖像的效果。
??? 水平方向插值" title="插值">插值采用三次樣條插值，垂直方向插值采用相鄰兩行內(nèi)插" title="內(nèi)插">內(nèi)插算法，內(nèi)插函數(shù)采用bisigmoidal[5]函數(shù)：
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式中，a是調(diào)節(jié)曲線特性的常數(shù)，?駐y是函數(shù)輸入變量。采用臨近兩點y（n+1）和y（n）進行插值的公式如下：
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式中，K=h（Δy）。
??? 為了避免非線性插值系數(shù)給電路設(shè)計帶來的復(fù)雜性，將內(nèi)插系數(shù)存儲于查找表中，根據(jù)內(nèi)插點與臨近點的相對位置找到對應(yīng)系數(shù)。
??? 分辨率轉(zhuǎn)換部分的框圖如圖3所示。
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??? 在插值時，首先將第一行數(shù)據(jù)輸入FIFO2，第二行輸入FIFO3，兩個FIFO交替將數(shù)據(jù)輸入垂直插值器，垂直插值器按行輸出垂直插值后形成的行數(shù)據(jù)，輸入到水平插值器。FIFO共輸入3行后，F(xiàn)IFO停止向垂直插值器一個節(jié)拍，垂直插值器將輸出4行像素數(shù)據(jù)；水平插值器每讀取3個像素數(shù)據(jù)時停止一個節(jié)拍，從而根據(jù)不同插值系數(shù)和臨近點數(shù)據(jù)插出4個值，從而完成3：4的放大。在輸出放大后的行數(shù)據(jù)時，在行的左端和右端各添加32個零點，這樣就完成了分辨率的轉(zhuǎn)換。
2.6.2 幀頻的轉(zhuǎn)換
??? PAL制式每秒奇偶共50場，經(jīng)過雙端口RAM的存儲后整理為每秒25幀，要轉(zhuǎn)換為能夠滿足每秒60幀要求的視頻信號，最簡單的辦法就是復(fù)制幀。在本設(shè)計中，上一小節(jié)中轉(zhuǎn)換分辨率后的數(shù)據(jù)傳遞給色空間轉(zhuǎn)換模塊的同時，存入一個存儲器中，在下一幀數(shù)據(jù)處理完成前，將存儲器中的數(shù)據(jù)再次傳輸指定的次數(shù)，從而完成幀頻的轉(zhuǎn)換。幀頻比為5：12，所以每5幀做一次頻率放大，第一幀、第三幀傳輸3次，其余各幀傳輸2次。
2.7 色空間轉(zhuǎn)換模塊
??? 該模塊接收到的信號是YUV（4：2：2）格式的信號，是16位數(shù)據(jù)線，而要將它轉(zhuǎn)換成的RGB信號是24根數(shù)據(jù)線，就需要先將每個像素點上丟失的色差信號補回來，即16根數(shù)據(jù)線加寬到24根。格式轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。
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??? 接下來要完成的是由YUV到RGB的色空間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下[6]：
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??? 由此可得式(4)：
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??? 在計算時必須把它們都轉(zhuǎn)換成整數(shù)，所以在程序中利用位移寄存器，讓它們左移11位，計算后即可得到RGB數(shù)據(jù)。
??? 采用FPGA技術(shù)設(shè)計的VGA圖像控制器，大大減少了電路板的尺寸，充分應(yīng)用了FPGA快速并行處理數(shù)據(jù)的特性（這是其他控制器所不可比擬的），在產(chǎn)生同步信號的同時送出像素數(shù)據(jù)，同時增加了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計靈活性。解決了嵌入式系統(tǒng)實時圖像顯示的問題，節(jié)約了成本，擴展了應(yīng)用范圍。
參考文獻
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