基于FPGA的UART控制VGA圖像顯示器設計

李 營，范靜靜，權(quán)循忠，呂兆承，陳 帥

通用異步串行收發(fā)器（UART）是一種實現(xiàn)設備之間低速數(shù)據(jù)通信的標準協(xié)議，該傳輸方式不需要時鐘控制，只需通過兩根信號線，分別進行數(shù)據(jù)的收發(fā).所謂串行，是指將多位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為一位一位的串行數(shù)據(jù)進行傳送，發(fā)送完后組合得到并行數(shù)據(jù).該方式適合遠距離傳送［1-2].傳統(tǒng)的串口控制往往通過單片機實現(xiàn)，他不便于擴展和模塊化［3]，而FPGA 作為高密度可編程處理器，具有IO 口多、并行運算速度快、模塊化集成度高［4]，對外圍硬件進行擴展移植性高等特點.鑒于此本文根據(jù)UART 原理和VGA 時序顯示原理，利用層次化建模思想將系統(tǒng)劃分為PLL 分頻器、波特率發(fā)生器、串口接收通信和VGA控制模塊等模塊，在Quartus 下利用硬件描述語言Verilog實現(xiàn)各功能模塊，并進行配置，最終以FPGA芯片為核心控制器，將存儲IP 核ROM 中的圖像數(shù)據(jù)按照串口端的命令通過VGA在顯示器端進行顯示.

1 UART原理簡介

串行異步通信需要接收雙方約定好數(shù)據(jù)傳輸速度和幀格式，即約定好一個數(shù)據(jù)位傳輸?shù)臅r間和一個數(shù)據(jù)的長短.其中數(shù)據(jù)傳輸速度是用波特率描述，即每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，典型的數(shù)據(jù)幀格式如圖1 所示，一個字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、空閑位構(gòu)成［5].接收端一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當監(jiān)聽到低電平的起始位后，就按照約定的波特率接收數(shù)據(jù).即每當發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)送1 bit的起始位，以表示通信的開始，然后發(fā)送8 bit的有效數(shù)據(jù)位.有效數(shù)據(jù)的低位在前高位在后，之后再傳送1 bit的奇偶校驗位，最后發(fā)送停止位.

圖1 串口幀格式

2 VGA接口原理

VGA 接口即視頻圖形陣列，采用非對稱分布的15針連接方式，用戶常用的有紅綠藍三色，行同步信號HS 以及場同步信號VS 等5 個信號.其中HS和VS的作用是處理輸入模擬信號，并聯(lián)合起來控制VGA的顯示時序［6].文中VGA顯示遵循640*480@60 工業(yè)標準，行掃描時序要求和場掃描要求分別見表1 和表2.通信時序如圖2 所示.

表1 行掃描（HS）時序要求

表2 場掃描（VS）時序要求

圖2 VGA的行掃描和場掃描時序圖

3 系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案

本系統(tǒng)由FPGA芯片、時鐘電路、系統(tǒng)電源、VGA時序控制模塊和串口通信模塊等構(gòu)成.依據(jù)層次化建模思想可將系統(tǒng)分為底層模塊和頂層模塊，功能框圖如圖3 所示.由圖3 可知，該系統(tǒng)底層可劃分為：波特率發(fā)生器模塊（speed_setting）、PLL分頻模塊、串口接收處理模塊（my_uart_rx）、VGA 時序控制模塊（vga_controller）.頂層模塊（top.v）聲明輸入輸出端口，并調(diào)用各底層模塊構(gòu)建串口通信控制VGA的圖像顯示功能.

圖3 FPGA系統(tǒng)功能實現(xiàn)框圖

3.1 VGA時序控制模塊（vga_controller）

該模塊連接串口接收處理模塊和PLL 分頻模塊，最終實現(xiàn)針對不同串口指令，VGA顯示不同的圖像的功能，其中圖像數(shù)據(jù)存儲于IP 核ROM內(nèi)以便本模塊進行調(diào)用.工作原理是根據(jù)串口接收處理模塊發(fā)送的不同串口指令數(shù)據(jù)rx_data，針對其不同數(shù)據(jù)進行模式切換，顯示不同圖像.設計采用640*480@60 工業(yè)標準.由文獻［6]知此時場同步信號VS的周期為16.7 ms，行同步信號HS的周期為31.75 us，所需時鐘頻率25 MHz.設計中VS 掃描流圖如圖4 所示，HS 掃描算法與其類似，此處省略.

圖4 場頻率掃描算法流圖

模塊接口框圖如圖5 所示.以下為各端口的說明.

輸入信號：rst_n 是復位信號，低電平有效；clk_25m 連接PLL 輸出25 MHz 時鐘，clk_50m 等其他信號類似；rx_data 信號接收數(shù)據(jù)寄存器，保存直至下一個數(shù)據(jù)來到；rx_int 信號接收數(shù)據(jù)中斷信號，接收到數(shù)據(jù)期間始終為高電平.

輸出信號：data_out是VGA顯示色彩；vga_hsy是VGA顯示行同步信號；vga_vsy是VGA顯示場同步信號.

圖5 VGA時序控制模塊接口框圖

3.2 分頻模塊（PLL_controller.v）

該模塊的功能是對系統(tǒng)時鐘進行分頻，分別產(chǎn)生c0（25 MHz）、c1（50 MHz）、c2（65 MHz）、c3（100 MHz）、c4（130 MHz）時鐘，以便其他功能模塊調(diào)用.

3.3 波特率發(fā)生器模塊（speed_setting.v）

該模塊的功能是根據(jù)給定的系統(tǒng)時鐘頻率和要求的波特率算出波特率發(fā)生器分頻系數(shù).波特率是指每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位［5].文中采用的波特率為9 600 bps，此時每位數(shù)據(jù)持續(xù)的時間是1 s/9 600=104.2 us，即每隔104.2 us 進行一次采樣，若需要其他波特率也可在本模塊選擇，該模塊的接口框圖如圖6 所示.其中輸入信號clk 是25 MHz 主時鐘，輸入信號rst_n 是低電平復位信號，輸出信號clk_bps 的高電平為接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)位的中間采樣點.

圖6 波特率發(fā)生器模塊接口框圖

3.4 串口接收處理模塊（my_uart_rx）

該模塊連接波特率發(fā)生器模塊和VGA時序控制模塊，其功能是通過串口外設來接收計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并送至VGA時序控制模塊，模塊示意圖如圖7所示.以下為各端口含義.

輸入信號：clk 是25 MHz 主時鐘；rst_n 是低電平復位信號；uart_rx 是RS232 接收數(shù)據(jù)信號，即用戶鍵盤輸入信號；clk_bps 連接波特率發(fā)生器模塊，其高電平為接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)位的中間采樣點.

輸出信號：bps_star接收到數(shù)據(jù)后，波特率時鐘啟動信號置位；rx_data 接收數(shù)據(jù)寄存器，保存直至下一個數(shù)據(jù)來到，rx_int接收數(shù)據(jù)中斷信號，接收到數(shù)據(jù)期間始終為高電平.

3.5 頂層模塊（top.v）

頂層模塊連接各底層模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，滿足實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)最終生成的RTL圖如圖8所示，從圖8中可知，各底層模塊間的連接關(guān)系與圖3系統(tǒng)功能框圖一致.

圖8 系統(tǒng)RTL圖

4 系統(tǒng)仿真實驗

4.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

系統(tǒng)開發(fā)采用的仿真軟件是QuartusⅡ13.1，硬件描述語言是Verilog，硬件包含F(xiàn)PGA 核心板EP4CE6E22C8及UART控制器和VGA控制器等.

4.2 系統(tǒng)時序信號仿真

系統(tǒng)設計完成后編寫測試文件進行時序仿真，結(jié)果如圖9所示.圖中ext_clk_50是50 MHz輸入時鐘信號，ext_rst_n 為輸入復位信號，vga_vsy和vga_hs 分別為輸出場同步和行同步信號，data_out為輸出圖像數(shù)據(jù)，clk_bps為串口波特率發(fā)生器的中間采樣信號，由圖9 中分析線可知：輸出vga_hs的周期為31.75 us，與文中3.1小節(jié)所要求的VGA 接口時序一致，說明VGA 時序滿足系統(tǒng)要求.clk_bps 的周期為104.2 us，與文中3.3 小節(jié)要求波特率為9 600 bps 時的信號采樣間隔時間一致，說明串口通信滿足系統(tǒng)設計要求.

圖9 系統(tǒng)時序信號仿真結(jié)果圖

4.3 硬件仿真

通過串口調(diào)試助手發(fā)送不同的16 進制數(shù)，存儲于ROM內(nèi)的不同圖像將通過VGA在顯示器端顯示.如圖10 所示，當通過串口調(diào)試助手發(fā)送16’h01時，在VGA顯示器上顯示了一幅男生圖片.

圖10 串口端發(fā)送16’h01時VGA顯示的圖像

4.4 系統(tǒng)仿真結(jié)論

通過4.2小節(jié)可知系統(tǒng)仿真時序與前述VGA顯示和UART通信要求的時序一致，說明系統(tǒng)時序正確.通過4.3 小節(jié)硬件仿真驗證了該系統(tǒng)可實現(xiàn)串口控制VGA圖像顯示功能.綜上兩方面說明利用層次化建模思想構(gòu)建的UART 控制VGA圖像顯示器系統(tǒng)的設計方案是切實可行的.

5 結(jié)束語

文章利用自頂向下層次化建模思想，設計出基于FPGA的串口通信控制VGA圖像顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用UART控制VGA顯示不同圖像.與傳統(tǒng)單片機設計相比，F(xiàn)PGA可方便地進行系統(tǒng)升級和移植，且本系統(tǒng)可實現(xiàn)異步通信及圖像顯示，在圖像遠程控制顯示方面有一定的工業(yè)參考價值［7].