FPGA——VGA协议

VGA简介

VGA，英文全称“Video Graphics Array”，译为视频图形阵列，是一种使用模拟信号进行视频传输的标准协议，由 IBM 公司于 1987 年推出，因其分辨率高、显示速度快、颜色丰富等优点，广泛应用于彩色显示器领域。由于 VGA 接口体积较大，与追求小巧便携的笔记本电脑背道而驰，在笔记本电脑领域，VGA 接口已被逐渐淘汰，但对于体积较大的台式机，这种情况并未发生，虽然 VGA 标准在当前个人电脑市场中已经过时，但因其在显示标准中的重要性和良好的兼容性，VGA 仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己独特驱动程序之前，都必须支持 VGA 的标准。

接口及引脚定义

显示原理

VGA 显示器显示图像，是采用扫描的方式，将构成图像的像素点，在行同步信号和场同步信号的同步下，按照从上到下、由左到右的顺序扫描到显示屏上。
在VGA标准刚兴起的时候，彩色显示器通常基于CRT技术实现，其中色彩由RGB三基色组成。显示过程采用逐行扫描的方式，即阴极射线枪发出的电子束打击涂有荧光粉的荧光屏，产生RGB三基色，这些颜色合成一个彩色像素。扫描从屏幕的左上方开始，从左到右、从上到下进行。每扫完一行后，电子束回到下一行的左边起始位置继续扫描。
在扫描过程中，为了防止电子束在回到左上方的过程中破坏已有图像，需要进行行消隐和场消隐。行消隐是在每行结束时通过行同步信号进行同步，而场消隐则是在扫描完所有行后，通过场同步信号进行同步，并使扫描回到屏幕的左上方。
随着显示技术的发展，虽然出现了液晶显示器等新技术，但为了兼容传统的显示接口，液晶显示器通过内部电路实现了对VGA接口的完全兼容。这意味着，只要显示器带有标准的VGA接口，就可以直接使用标准的VGA时序来驱动显示器，而无需关心其内部的成像原理。

显示电路原理

VGA协议电压标准

由于是模拟信号，三色模拟信号分别对应颜色及电压值为：

数字信号转化标准模拟信号方案

有两个方案：

• 一种是采用AD高速数模转化芯片——ADV7123芯片
• 另一种是采用低成本权电阻网络

采用AD芯片的会有官方文档讲解外围电路，本文在此处讲解权电阻网络。

为了让权重分配符合二进制数值权值，讲电阻设计为2的倍数。根据电流比例计算，由于$D_0$输出电压为VCC，$D_1$输出电压也为VCC，因此根据电阻大小比值$I_1=2I_0$，则数值全值表如下：

由表可知，该设计完美符合对模拟数值的二进制编码设计。于是，完整RGB565接口（除此之外，还有24位颜色RGB888，8位颜色显示RGB332，区别是颜色显示数量的不同）一共需要16根信号线，565也分别对应Red信号线5根，Green信号线6根，Blue信号线5根，其信号图如下。

由于VGA内部接口含有75欧姆的电阻，用于检测红绿蓝三种颜色对应的电压。如下图。

由此可以计算，对应所需的权电阻网络基础数值。先计算权值网络的等效电阻$R_x$
$$\frac{1}{R_x}=\frac{1}{R}+\frac{1}{2R}+\frac{1}{4R}+\frac{1}{8R}+\frac{1}{16R}$$
再计算最大电压$V_r=0.714V$。
$$V_r=\frac{75V_{cc}}{R_x+75}$$
计算得：
$$R=500\Omega$$
计算得R后，根据R数值可以计算出其他对应的电阻。由于，电阻阻值可能选择相近的数值，因此，Vr、Vg、Vb可能最大值并不相同，因此，也会影响显示器的RGB显示范围。如使用AD芯片可以使得RGB动态显示范围更为精准。
到此，模拟部分电路讲解完毕。

数字信号时序标准

为了适应匹配不同厂家的 VGA 显示器，VGA 视频传输接口有自己的一套 VGA 时序标准，只有遵循 VGA 的时序标准，才能正确的进行图像信息的显示。由显示原理，我们可以知道，显示时序应该会分为行扫描和列扫描。在术语里，列扫描叫做场扫描。

行扫描周期包含：同步、后沿、左边框、有效图像、右边框、前沿。基本单位是一个时钟周期。

场扫描周期同样包含：同步、后沿、上边框、有效图像、底边框、前沿。基本单位是一个行的时钟周期。

实际参数表如下：

由相关数据，行扫描周期x场扫描周期x刷新率=时钟频率，因此，640x280
@60hz的时钟计算为：800x525x60=25.2MHz。在此处，由于25.2Mhz或者25.175不便于生成，因此通常使用25Mhz的时钟频率，则对应的显示帧率59.5hz。

模块设计

clk_gen：时钟生成模块，为了讲FPGA内部时钟进行分频或者倍频处理得到模块所需的时钟信号。（可以由PLL锁相环生成）
vga_pic模块：用于生成图像数据，得到对应点的坐标来产生对应位置的图像数据。
vga_ctrl模块：VGA驱动模块，用于生成VGA驱动信号及rgb颜色数据。