基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计.doc

基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计摘 要随着图像显示技术的快速发展，图像用户界面和人机交互界面正朝着智能化、高速化、大屏幕化方向迈进目前图像显示系统多数是采用早期的专用处理芯片，其运算速度和设计灵活性一般都较低FPGA 的发展为图像存储与显示系统的高速和高集成度提供了新的方法和解决思路，FPGA 本身拥有着强大的逻辑资源，并利用片外的配置资源和模块化的设计思路，可实现图像存储与显示系统 论文采用 Altera 公司推出的Cyclone IV FPGA，结合该系列芯片的结构特点，对其功能以及配置方式做了详细的说明，并简要的介绍了系统设计中所涉及的软硬件开发环境和显示原理，重点研究基于 FPGA 的图像信号剪切、存储和显示，系统采用基于 FPGA的高速阵列的信号处理模式，提出了一种基于硬件的图像存储与显示的视频拼接显示方法该设计以 FPGA 为数字处理的核心，分为图像处理模块、图像存储模块和图像显示模块，通过处理输入的视频信号，把视频剪切成两部分，分别以VGA和HDMI在两个显示器里分别显示，实现了视频的拼接显示功能关键字：FPGA VGA HDMI 拼接显示VGA and HDMI video splicing FPGA-based displayABSTRACTAs the image shows the rapid development of technology, graphical user interface and interactive interface is moving intelligent, high-speed, large screen direction. At present, the majority of the image display system is the use of dedicated processing chip early, usually its speed of operation and design flexibility are low.FPGA development for high-speed and highly integrated image storage and display system provides a new approach and solution ideas, FPGA itself has a powerful logic resources and use off-chip resource allocation and modular design ideas can be realized Images storage and display system.Thesis, Altera has introduced Cyclone IV FPGA, combined with the structural characteristics of the chips and their functions as well as a detailed configuration instructions, and a brief description of the system involved in the design of hardware and software development environment and display principle focus Cut image signal based on FPGA, storage and display, the system uses the signal processing FPGA-based high-speed mode arrays, we propose a hardware-based image storage and display method for displaying video splicing.The digital processing designed to FPGA core, divided into an image processing module, an image storage module and an image display module, by processing the input video signal, the video cut into two parts, respectively in the two VGA monitors and HDMI Lane respectively display, to achieve a video mosaic display function.Key words: FPGA VGA HDMI Tiled Display目录1 绪论 12 系统总体设计与技术基础 22.1 技术概述 22.1.1 Altera FPGA 介绍 22.1.2 显示原理 32.1.3 颜色空间 42.1.4 FPGA设计流程简介 53 系统硬件设计 63.1 FPGA 器件选型及外围电路 63.2 FLASH电路设计 83.3 DDR2电路设计 83.4 视频输入电路设计 103.5 VGA接口电路设计 113.6 HDMI接口电路设计 143.7 硬件电路总体框图 154 软件部分设计 164.1 图像剪切模块 164.2 图像存储模块 174.3 图像显示模块 184.4 软件总体框图 205 设计流程及结果 205.1 工程编译 205.2 下载程序 215.3 板级仿真与验证 215.4 实验结果 225.5 设计总结 22参考文献 24致 谢 25附录 26 / 文档可自由编辑打印1 前言随着科学技术的高速发展，显示系统的应用越来越广泛，从日常生活到工业控制再到航空航天等行业都离不开显示系统。

而且随着显示要求的提高，单个显示器已经不能满足人们的需求，在一些领域需要对视频进行分割拼接显示，比如大家常见的安防监控驱动液晶显示器，需要很高的扫描频率以及极短的处理时间，而且还是驱动一定数量的液晶显示器，对处理数据的能力更加苛刻从国内外显示系统的发展历程来看，主要出现了以下几种技术方案：（1）基于 ARM 的显示控制系统，它是以 ARM 微控制器为处理的核心，系统虽然具有体积小、接口丰富和功耗低的优点，但是它的开发周期过长，系统不易于移植和升级，而且如果用于如图像这种数据吞吐量比较大的处理，其运行速度受到限制，这个问题不容忽视2）基于 DSP 的显示控制系统，这种方式采用复杂的可编程逻辑器件和数字信号处理器，具有强大的数字处理能力和较快的运行速率系统虽能满足大数据量的运算要求，但是成本很高，并且电路设计复杂，不利用二次开发3）基于FPGA的显示控制系统，这种方式不仅运算速度快、电路设计简洁，而且成本相对较低，还便于移植和二次开发随着FPGA（Field-Programmable gate array）现场可编程门阵列不断的发展，其价格也不断的下降，逐渐地显现出 FPGA 的应用优势FPGA是一种硬件架构，管脚丰富和灵活，便于进行二次开发。

因此目前，嵌入式系统中越来越多的采用了基于 FPGA 的设计方案 对于图像拼接技术而言，虽然拼接方法众多，但各方法适用条件各异、鲁棒性差别较大，在使用时需要通盘考虑，择优选择，并针对特定应用需求进行相应改进，然而很少有人能够对现有的图像拼接方法进行总结归纳，对各图像拼接方法的适用范围、算法复杂度、配准精度等问题给予明确说明，导致其不能很好的应用于实际项目中 对于视频拼接技术而言：一方面，实时性一直是困扰视频拼接的最大障碍在现有条件下如何既能保证较好的拼接效果，又能够很好的满足实时性的要求，成为当下研究中重点要解决的问题；另一方面，在移动视频拼接系统应用需求激增的情况下，缩小硬件体积也是一个关键的问题 2 系统总体设计与技术基础2.1 技术概述2.1.1 Altera FPGA 介绍 FPGA (Field Programmable Gate Array)是现场可编程门阵列，逐渐取代了以往的PAL、CPLD等可编程逻辑器件，是目前使用最广泛的逻辑器件 FPGA的大体结构包括三个部分，CLB（可编译逻辑块），IOB（输入/输出块）和BRAM（随机储存记忆块）可配置逻辑模块（CLB）含有RAM-based LUTs（Look-Up Tables），从而实现逻辑和存储单元。

CLB可通过编程来实现广泛多样的逻辑功能，同样也可储存数据FPGA中除了具有用LUT构成的分布随机存储器之外，还有块存储器（Block SelectRAM Memories）块存储器是真正的双端存储器（True Dual-Port RAM），提供了高速的、分布式的、大块的存储资源，在FPGA里块存储器排成几条纵队，块存储器的总量是由器件型号决定的，这些块存储器级联后可以构成更深、更宽的存储器FPGA是基于查找表技术，查找表本质上就是一个分布式RAM存储器，因此结构等同于有4位地址线的随机存储器，如图所示 图 2.1 LUT 单元结构由图2.1可知，四个输入作为地址进行查表，该地址上的值是由编译软件写好，该值就是所需要的逻辑值目前，生产FPGA的厂商有Xilinx、Altera、Lattice等公司，其产品结构均基于查找表结构本系统在设计时，采用的是Altera公司生产的Cyclone IV系列芯片作为系统开发 2.1.2 显示原理VGA（Video Graphics Array），中文是视频图形阵列，使用的是模拟信号传输数据现在大部分的计算机显示器都带有VGA接口，它是最普遍的一种显示接口，如图所示。

图2.2 VGA接口HDMI（High Definition Multimedia），中文是高清晰度多媒体接口，使用的是数字信号传输数据HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，保证高质量的视频信号传输图2.3 HDMI接口R、G、B(3基色信号)、HS(行同步信号)、VS(场同步信号)是我们在设计VGA和HDMI需要考虑的5个信号其中R、G、B信号为数据信号，HS、VS为控制信号任意所需要的颜色都可由R、G、B3种基色组合得出处理好这5个信号的时序就是显示的基础，下面将介绍显示的时序 图2.4 各分辨率条件下使用的频率图2.5 行扫描时序图图2.6 场扫描时序图当分辨率为 1024*768 时，水平方向显示器每行有 1344（65MHz/48.363kHz）个数据位，当中的 1024 个数据位用来显示像素，另外的 320(1344-1024)个数据位用来输出水平消隐信号和水平同步信号垂直方向有80（48.363kHz/60.004Hz）行，其中 768 行用于显示相应的像素，其余 38（806-768）行用来输出垂直消隐信号和垂直同步信号。

显示器显示完一行图像后，同步行信号，接着进行行消隐，同步信号都采用了低电平有效的同步方式当所有行都被。