基于CPLD的VGA视频显示系统的设计应用

显示系统在工业、农业及日常生活中扮演着越来越重要的角色，因此，对其进行设计与研究具有十分重要的意义。  

CPLD(Complex Programmable Logic Device；复杂可编程逻辑器件)具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进等优点，用户可根据自身需要构造数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，从而实现数字系统。CPLD的应用目前已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等领域，其设计及应用成为电子工程师必备的一项技能。  

系统总体设计方案  

XC95144XL是XILINX公司推出的5ns引脚延迟、系统频率高达178MHz、144个宏单元、3200个可用逻辑门单元的可编程逻辑器件。本设计采用XC95144XL作为数据传输与控制核心模块，接受来自TMS320C6416T的视频数据，并采用两片IS61WV51216ALL组成缓存，以达到实时输入输出数据的效果。本部分实现框图如图1所示。

  
图1 视频显示功能框图  

系统硬件设计  

系统硬件设计主要包括：TMS320C6416T与VGA显示系统的接口设计；2片IS61WV51216ALL SRAM组成的缓存模块；视频DAC模块。
  
TMS320C6416T与VGA显示系统的接口设计  

来自4片TMS320C6416T的图像处理机的EMIFB口连接在一起，并通过CPLD的仲裁，使能哪一块图像处理机输出数据至VGA显示系统。

采用C6416T的EMIFB口输出处理结果，当1片C6416T要求输出数据时，C6416T要通过GP01向CPLD发送输出数据请求，CPLD根据内部逻辑确定是否允许C6416T请求。内部逻辑准则如下：  

各个DSP的输出数据请求优先级别相等，请求信号先到者先被允许，后到者不能中断正在响应的请求。对于同时到来的请求，CPLD响应先接收到原始视频信号的C6416T。  

当CPLD响应一个C6416T的输出数据请求时，CPLD向C6416T的BHOLD#信号发送响应信号（对EMIFB的保持请求输入信号）。此时，数据开始输出。  

2片IS61WV51216ALL SRAM组成的缓存模块  

2片XC95144XL各自连接1片IS61WV51216ALL组成的图像缓存模块。  

实时显示控制：由CPLD对各个6416T图像处理机数据输出接口（EMIFB）总线进行总线仲裁，实现各个6416T图像处理机的图像数据分时输出。由于VGA的刷新频率大于输入信号的频率，因此采用两片SRAM“乒乓存取”工作方式，组成了图像数据缓冲区，每片SRAM存放一帧图像，由CPLD控制其乒乓读写切换以达到实时显示效果。数据缓存电路框图如图2所示。
  
图2 数据缓存电路框图  

采用一组SRAM作为显存，可以简化系统设计、降低成本。这时可以考虑利用行时序和帧时序中SRAM总线空闲的时序段，在不关闭图像显示的情况下实现显存SRAM的数据更新。该方法的更新率与数据写速度密切相关，显存的写数据速度越快，该方法的更新率就越高。  

视频DAC模块  

ADV7123是一个三路10位输入的高速视频DAC，具有330MHz的最大采样速度，与多种高精度的显示系统兼容，包括RS-343A和RS-170，可以广泛应用于如HDTV、数字视频系统(1600*1200 @100Hz)、高分辨率的彩色图片图像处理、视频信号再现等，因此能够满足多方面应用需求。视频DAC（ADV7123）工作原理如图3所示。

图3 ADV7123工作原理  

CPLD提供Hsync(行)、Vsync(场)同步信号，直接接入15针的VGA显示接口连接器。在点时钟脉冲pixel clock的作用下将3路10位的RGB信号送入数据寄存器，而后送到3个DAC模块，复合消隐信号和复合同步信号加到红、绿、蓝模拟信号送到输出端。  

系统软件设计  

系统软件设计是本文的重点，主要包括三部分内容：SRAM读写状态机的设计、CPLD与SRAM的缓冲模块通信以及VGA时序设计。  

SRAM读写状态机的设计  

以6416为核心的图象处理机通过外部存储器接口向外传送数据，连接到后端的显示系统；但SRAM需要严格的通信时序确保数据的完整性，此处在CPLD内部通过状态机构造SRAM的读时序和写时序，确保了6416能够和SRAM正常通信，也确保缓冲模块的正常运行。读写SRAM的时序图如图4和图5所示。

图4 读周期时序图
  
图5 写周期时序图  

当从SRAM中读取数据时：首先使能片选；UB、LB时钟处于有效状态；WE为高，时钟处于无效状态；主要由OE的时序来控制使其符合读时序图，才能正确地读出存储器中的数据。在向SRAM中写入数据时，同样首先使能片选；UB、LB时钟处于有效状态；OE为高，时钟处于无效状态；主要由WE的时序来控制使之符合写时序图，才能向存储器正确写入数据。  

CPLD与SRAM组成的缓冲模块的通信  

CPLD与SRAM组成的缓冲通信模块，即如何乒乓读写SRAM机制。设定一个读写标志FLAG，当一块SRAM写满一帧图像时，FLAG会出现“1”到“0”或者“0”到“1”的跳变，同时切换数据流的流向，写另一块SRAM，同时切换输出至后级DAC的数据流；如此循环，软件流程图如图6所示。
  
图6 缓冲模块通信软件流程图  

VGA时序发生器设计  

VGA标准时序参考图如图7所示，并用VERILOGHDL设计For VESA 800*600 @ 60Hz:VGA时序的源代码：  



  

  
图7 VGA标准时序参考图  

系统分析  

经过反复测试，系统能够将采集端数据实时传送到显示器上，具体性能指标如下：  

视频输出：VGA视频输出  
视频显示DA转换精度： 10bit  
图像输出标准： SVGA（75Hz， 800×600）  
显示分辨率: 10bit  

结语  

该VGA视频显示系统不但可以稳定地采集图像数据，而且可以实时将数据传输到CRT显示器，便于以后人工综合分析、处理。它特别适用于大型商场等显示端，可以说是一个理想的解决方案。