FPGA VGA时序的理解

最近在做FPGA毕业设计，毕业设计规划的是摄像头采集图像，经过均值滤波，中值滤波，高斯滤波，然后通过VGA接口控制显示器显示出来，所以最近学习了一下FPGA的VGA驱动的相关内容。

VGA接口

如上图所示，VGA接口一共15针，分为3*5。

主要使用的信号线是上面的5根线，行同步信号，场同步信号和R,G，B基色的模拟信号。

显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左像右逐点扫描，每扫描完一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行同步；当扫描完所有的行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐,开始下一帧。隔行扫描是指电子束扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后在返回来扫描剩下的线，隔行扫描的显示器闪烁的厉害，会让使用者的眼睛疲劳。

VGA水平扫描时序

VGA垂直扫描时序

VGA时序图

如上图VGA显示时序所示，VGA每次显示都需要同步信号，经过同步脉冲a，显示后沿b，显示时序段c，显示前沿d，然后是同步脉冲a，这样一个循环。

根据VGA协议标准，以640*480 60HZ为例，每秒钟要显示60次，一次显示800*525个点，其中640*480为显示时序段的有效点，其他的是为了同步时序的无效点。

如下图所示黄色区域为800个点的行周期，红色区域为525个点的场周期，只有行周期和场周期同时有效的橘色区域640*480才是有效显示区域。

VGA时序分析

一秒钟需要显示800*525*60个点，而时序的时钟频率是25MHZ，所以显示一个点的时间是25M/(800*525*60)=40ns.

行时序如上图所示：

a段的持续时间是96*40ns

b段的持续时间是45*40ns

c段的持续时间是646*40ns

d段的持续时间是13*40ns

e段的持续时间是800*40ns(e段是整个行周期)

场时序如上图所示：

o段的持续时间是2*e

p段的持续时间是30*e

q段的持续时间是484*e

r段的持续时间是9*e

S段的持续时间是528*e

只有行时序处于c段和场时序处于q段的时候发送的才是有效数据，一个行周期要显示640个点，一个场周期要显示480个行。

代码如下，代码只实现了VGA时序，时钟默认25MHZ。需要进一步修改。

1. module vga_driver(
2. clk         ,
3. rst_n       ,
4. din         ,
5. vga_hys     ,
6. vga_vys     ,
7. vga_rgb
8. );
9. parameter       DATA_W  = 16;
10. input         clk      ;
11. input         rst_n    ;
12. input         din      ;
13. output        vga_hys    ;
14. output        vga_vys    ;
15. output [DATA_W-1:0]  vga_rgb    ;
16. reg             vga_hys;
17. reg             vga_vys;
18. reg     [DATA_W-1:0]    vga_rgb;
19. reg     [9:0]   cnt_hys;
20. reg     [9:0]   cnt_vys;
21. wire            add_cnt_hys;
22. wire            end_cnt_hys;
23. wire            add_cnt_vys;
24. wire            end_cnt_vys;
25. reg             display_area;
26. always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
27. if(!rst_n)begin
28. cnt_hys <= 0;
29. end
30. else if(add_cnt_hys)begin
31. if(end_cnt_hys)
32. cnt_hys <= 0;
33. else
34. cnt_hys <= cnt_hys + 1;
35. end
36. end
37. assign add_cnt_hys = 1;
38. assign end_cnt_hys = add_cnt_hys && cnt_hys== 800-1;
39. always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
40. if(!rst_n)begin
41. cnt_vys <= 0;
42. end
43. else if(add_cnt_vys)begin
44. if(end_cnt_vys)
45. cnt_vys <= 0;
46. else
47. cnt_vys <= cnt_vys + 1;
48. end
49. end
50. assign add_cnt_vys = end_cnt_hys;
51. assign end_cnt_vys = add_cnt_vys && cnt_vys==525-1 ;
52. always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
53. if(rst_n==1'b0)begin
54. vga_hys <= 0;
55. end
56. else if(add_cnt_hys && cnt_hys == 96-1)begin
57. vga_hys <= 1;
58. end
59. else if(end_cnt_hys)begin
60. vga_hys <= 0;
61. end
62. end
63. always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
64. if(rst_n==1'b0)begin
65. vga_vys <= 0;
66. end
67. else if(add_cnt_vys && cnt_vys == 2-1)begin
68. vga_vys <= 1;
69. end
70. else if(end_cnt_vys)begin
71. vga_vys <= 0;
72. end
73. end
74. always  @(*)begin
75. display_area = cnt_hys >= 141 && cnt_hys <= (141+646) && cnt_vys >= 32 && cnt_vys < (32+484);
76. end
77. always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
78. if(rst_n==1'b0)begin
79. vga_rgb <= 0;
80. end
81. else if(display_area)
82. begin
83. vga_rgb <= din;
84. end
85. else begin
86. vga_rgb <= 0;
87. end
88. end
89. endmodule