用于单片机系统的VGA显示驱动电路

2021-02-27何成焦杰

网络安全技术与应用 2021年2期

◆何成焦杰

用于单片机系统的VGA显示驱动电路

◆何成1焦杰2通讯作者

（1.葫芦岛广播电视监测台辽宁 125000；2.吉林省广播电视研究所吉林 130041）

一种可以用单片机驱动的VGA高性能显示电路；采用CPLD设计逻辑电路，控制两片作为显存的SRAM；以16位并行总线高速写入像素数据，经过缓存之后再保存到显存；并行总线不但支持单片机无条件高速写入，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点，并且用两片SRAM分别作为前景页和背景页，可以全屏快速切换刷新。

VGA；CPLD；单片机；DMA；显示页

低成本的单片机系统通常用数码管或小屏LCD输出信息，显示区较小。目前几乎所有的电视机、投影仪、显示器等大屏设备都有VGA输入接口[1]。如果设计一种由单片机直接驱动的VGA显示电路，用动态的文字、图形或视频展示信息，那就可以大幅提升人机界面交互水平。在640X480@60Hz条件下，VGA像素频率为25MHz[2]；在800X600@60Hz时，像素频率高达40MHz。因其频率较高，用单片机难以直接处理显示复杂彩色图形、文字或视频[3]。本文介绍一种适用于单片机扩展VGA接口的驱动电路，可以很方便地高速刷新显示动态图像。运用该电路制作的设备在多个广播电视台站应用，效果良好。关于VGA的时序及部分接口电路设计，在参考文献[4]已有介绍，因此本文重点阐述提高系统动态刷新性能的方法。

1 设计目标

广播电视监测工作需要一种的VGA大屏幕信息发布系统，用大号字符动态显示当前时间和其他一些信息，具体要求：

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

（2）支持任意时刻总线无条件高速写入；

（3）可任意指定显存的写入地址，随机修改屏幕上任意像素；

（4）显存的写地址自动步进，支持快速DMA方式刷新；

（5）支持显示分页，实现全屏图像瞬间刷屏。

2 设计思路

像素采用16位RGB565真彩色格式，全屏像素保存在SRAM显存中，每个像素对应一个地址，用两片512KX16位的存储器IS61LV51216，分别保存前景与背景两屏图像。用CPLD设计数字电路，按VGA像素频率把显存中的数据按地址顺序读出，经过IO脚上由电阻网络组成的简易DAC转变成为模拟信号，分别输出到VGA的RGB三条颜色信号线上。

通常单片机输出的信息总量不会太大，640X480已能满足大多数的使用需要。如果像素频率为25MHz，那么就设计用50MHz的系统时钟，二分频后得到25MHz像素时钟，其低、高电平分别对应显存读取和写入两个时间窗口[5]。在读窗口期间，显存中数据送到DAC，并在读窗口期结束时保持锁存以维持DAC输出。为了支持任意时刻的单片机总线写入，必须把像素数据先缓存在一个16位的缓存中，等到下一次显存的写窗口期才真正写入显存。

若外部像素写入速度低，则显示内容刷新较慢，甚至能看到图像文字在蠕动。可采取显示换页的方法，在屏幕上显示前景页，而把像素悄悄写入背景页，写完之后交换两页可瞬间全屏刷新。

向显存写入像素之前，需要先写入像素的显存地址。通常显示输出的图形或字模都是一个矩形窗口，显示数据都是从左到右成行排列，每行结束再向下排列出新一行像素。因此在绝大多数情况下，像素数据都将顺序写入。若写入地址能够自动累加步进，则总线数据量可减少一半。

3 电路设计

图1是系统主要部分的电路原理图。

图1 主要电路图

图中，用两片型SRAM作为显存，共计1M地址空间，分成由U3低显示页，以及由U2高显示页，利用两个显存的片选CE19和CE19#，选择其中一个显存输出到DAC，二者切换则可实现瞬间换页刷新。用型号为EPM570的CPLD设计控制电路，生成行场同步信号。电阻网络RN1-RN11组成简易DAC，用50MHz的晶振实现640X480分辨率，若要实现800X600分辨率，则需换用80M晶振。

设计16位数据总线FSMC_DA[15..0]并行接口，写信号线FSMC_NWE和控制线FSMC_A16，只支持显存写，不需支持读。写入像素数据之前可写入地址控制字来设置显存的写入地址。控制字有1个位用于设置显示前景页。设计20位的显存地址空间，当FSMC_A16为1时，表明写入16位地址控制字。地址控制字分两次写入，第一次写入的是控制字和显存地址高4位，第二次写入显存低16位地址。当FSMC_A16为0时，写入的是像素数据，每写一次像素，显存的写地址都会自动累加步进。

4 显存读取

在VGA模块中，有一个19位同步累加计数器作为显存地址读计数器，在读窗口期向显存输出读地址，在像素时钟的上升沿累加计数值。

显存地址读计数器只输出19位地址，第20位地址用于总线设置而不参与计数，决定显存读地址处于512K以下还是在512K以上，实现分页功能，可实现图像高速刷新。

5 写地址计数器

地址写模块输出20位输出显存写地址，由1位显存写片选缓存和19位的可重装载同步累加计数器拼接组成。在FSMC_A16高电平期间，20位数值分两次写入，第一次写入高4位，第二次写入低16位。缓存第一次写入Bit15作为显存读片选位，确定哪片SRAM作为前景页；第一次写入Bit3也被缓存，确定像素写入哪片SRAM。在FSMC_A16低电平的像素写入期间，计数器在每个上升沿都累加一次，实现写地址自动步进。

地址步进功能可以提高总线效率。作为追求低成本的单片机系统，通常显示输出的信息量不会太大，需要更新的内容通常只局限于几个特定的矩形窗口区域。如果只想更新这部分内容，可以先写入矩形左上角坐标对应的显存地址，之后依次把这行数据连续写入即可完成第一行刷新。再写入矩形左上角第二行起点的坐标对应显存地址，连续写第二行的数据刷第二行。不断重复每行像素写入，直到最下边一行即可完成整个矩形区刷新。